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JP6941373B2 - Amperometric electrochemical sensors, sensor systems and detection methods - Google Patents
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JP6941373B2 - Amperometric electrochemical sensors, sensor systems and detection methods - Google Patents

Amperometric electrochemical sensors, sensor systems and detection methods Download PDF

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Description

関連出願の相互参照
本願は、2016年3月17日出願の米国特許仮出願第62/309,948号、表題「Amperometric Electrochemical Sensors,Sensor Systems and Detection Methods」に対する優先権を主張する。本願は、2015年9月14日出願の米国特許出願第14/854,016号(現在出願中)の一部継続出願であり、同出願は2014年9月12日出願の米国特許仮出願第62/049,977号に対する優先権を主張する。これらは両方とも表題が「Amperometric Electrochemical Sensors,Sensor Systems and Detection Methods」である。前述の特許仮出願および特許出願の全開示内容は、参照により本明細書に組み込まれる。
Cross-reference to related applications This application claims priority over US Patent Provisional Application No. 62 / 309,948, entitled "Amperometric Electrical Sensors, Sensor Systems and Detection Methods" filed March 17, 2016. This application is a partial continuation of US Patent Application No. 14 / 854,016 (currently pending) filed on September 14, 2015, and this application is the US Patent Provisional Application No. 14 filed on September 12, 2014. Claim priority over 62 / 049,977. Both of these are titled "Amperometric Electrochemical Sensors, Sensor Systems and Detection Methods". The above-mentioned provisional patent application and all disclosures of the patent application are incorporated herein by reference.

連邦政府による資金提供を受けた研究開発の記載
本発明の一部は、米国エネルギー省から助成を受けた契約DE−SC−0009258の下で、連邦政府の支援を得て行われた。合衆国政府は本発明に一定の権利を有する。
Federally Funded R & D Description Part of the invention was made with federal support under contract DE-SC-0009258 funded by the US Department of Energy. The United States Government reserves certain rights to the present invention.

世界的な工業化の増加は、燃焼プロセスにより生じる汚染に関する懸念を生じている。特に、車両またはその他の分散した源からの排気が懸念されている。新しい環境規制は、ディーゼル燃料車両からのNO(NOおよびNOの様々な比の混合物)排気を次第に低下させていて、これらの環境規制のうち、最も困難なものは、2010 EPA Tier 2のディーゼル排気管規格である。 The increase in global industrialization raises concerns about pollution caused by combustion processes. In particular, there are concerns about exhaust from vehicles or other distributed sources. New environmental regulations are gradually reducing NO X (mixtures of various ratios of NO and NO 2 ) emissions from diesel fuel vehicles, the most difficult of these environmental regulations being in 2010 EPA Tier 2. It is a diesel exhaust pipe standard.

これらの排気規制を満たすために、エンジン製造業者は、選択的触媒還元(SCR)システムおよびリーンNOトラップ(LNT)などの新しいディーゼル後処理技術を開発している。これらの技術は、多くの場合、性能を監視し、排気管排気の車載診断要件を満たすために、複数のNOセンサを必要とする。生成時削減技術(Point of generation abatement technologies)もNOとその他の汚染物質について開発されているが、これらの解決策は、閉ループ制御を用いずに適用される場合、燃料効率を低下させる可能性がある。さらに、一部の提案される解決策は、不適切に制御されるならば、それ自体が汚染を引き起こすことがあり得る(例えば、NO用の選択的触媒還元システムは、アンモニアを大気中に放出する可能性がある)。これらの削減技術の制御には、リーン・バーン・エンジン動作条件から生じる排気流などの、酸素を含む排気流中で動作できる、NO、NHおよびその他の汚染物質のための小型の高感度センサが必要である。 To meet these emission regulations, engine manufacturers have developed new diesel aftertreatment technologies such as selective catalytic reduction (SCR) system and a lean NO X trap (LNT). These techniques are often monitor performance, to meet board diagnostic requirements of the exhaust pipe exhaust, requiring multiple of the NO X sensor. Generated during reduction technology (Point of generation abatement technologies) have also been developed for NO X and other contaminants, but these solutions, when applied without a closed-loop control, can reduce fuel efficiency There is. In addition, some of the proposed solutions, if it is improperly controlled, itself obtained can cause contamination (e.g., selective catalytic reduction systems for NO X is ammonia into the atmosphere May be released). Control of these reduction technologies is small and sensitive for NO X , NH 3 and other contaminants that can operate in oxygenated exhaust streams, such as exhaust streams resulting from lean burn engine operating conditions. A sensor is needed.

NOとNHの濃度を測定するためのいくつかの手法が記載されている。これらには、電気化学的方法、電位差測定法(混成電位法を含む)、化学抵抗法、電流測定法、およびインピーダンスに基づく方法が含まれる。これらの手法の優れた考察が、参照により本明細書に組み込まれる米国特許第8,974,657号および9,304,102号に記載されている。例えば、混成電位(電位差測定)センサでは、EMF信号(開回路差動電圧)は、検知電極と基準電極との間の非平衡電位に起因する標的ガス種の存在に応答して生成される。バイアスは、混成電位センサの検知電極と基準電極との間に印加されない、そしてイオン(または電流)はセルの中を流れない。一方、アンペロメトリックセンサは、電気化学セルの電極間に印加された電圧バイアスから生じる電流を測定する。 Several methods have been described for measuring the concentrations of NO X and NH 3. These include electrochemical methods, potentiometric methods (including mixed potential methods), chemical resistance methods, current measurement methods, and impedance-based methods. A good discussion of these techniques is described in US Pat. Nos. 8,974,657 and 9,304,102, which are incorporated herein by reference. For example, in a mixed potential (potentiometric titration) sensor, an EMF signal (open circuit differential voltage) is generated in response to the presence of a target gas species due to the non-equilibrium potential between the detection electrode and the reference electrode. No bias is applied between the detection and reference electrodes of the hybrid potential sensor, and ions (or currents) do not flow through the cell. Amperometric sensors, on the other hand, measure the current resulting from a voltage bias applied between the electrodes of an electrochemical cell.

文献に開示されるアンペロメトリック装置は、一般に、次の式に示されるようなNOの接触分解によって印加電圧下で検出された電流を得る:
NOからNOへの還元:NO+NO;および/または
NOからNとOへの還元:NO→
その他のアンペロメトリックセンサ、例えば米国特許第9,304,102号に記載されるものなどは、標的ガス(例えば、NOx)濃度を検知するために、そのガス種の分解(例えば、NOxの接触分解)に頼るよりもむしろ、検知電極での酸素還元の比率を増加させる吸着したガス種(例えば、NOx)に基づく。吸着されたNOの存在に起因する酸素還元電流の増加を用いて、酸素を含むガス流中のNOの存在および/または濃度を検出する。
Amperometric device disclosed in the literature generally obtain a current detected under the applied voltage by the catalytic cracking of the NO X as shown in the following formula:
Reducing the NO 2 to NO: NO 2 → 1/2 O 2 + NO; reduction of and / or NO to N 2 and O 2: NO → 1/2 N 2 + 1/2 O 2.
Other amperometric sensors, such as those described in US Pat. No. 9,304,102, decompose the gas species (eg, NOx contacts) to detect the target gas (eg, NOx) concentration. Rather than relying on cracking), it is based on adsorbed gas species (eg, NOx) that increase the rate of oxygen reduction at the sensing electrode. With increase in the oxygen reduction current due to the presence of adsorbed NO X, to detect the presence and / or concentration of the NO X in the gas stream containing oxygen.

NO、NHおよび/またはその他の標的ガス種を正確に検出するための多様な装置および技法が存在する可能性があるが、本発明者らよりも前には誰も、本明細書に記載されるような発明を作り出さなかったかまたは使用しなかったと考えられる。 There may be a variety of devices and techniques for accurately detecting NO X , NH 3 and / or other target gas species, but anyone prior to us is described herein. It is believed that he did not produce or use the invention as described.

米国特許第8,974,657号U.S. Pat. No. 8,974,657 米国特許第9,304,102号U.S. Pat. No. 9,304,102

本明細書は、本発明を詳細に指摘し、明確に特許請求する特許請求の範囲で締めくくられているが、本発明は、添付の図面と併せて読むと、その特定の実施形態の詳細な説明からより良く理解されるであろうと考えられる。文脈が別に示す場合を除いて、図面中の同様の数字は、図面中の類似の要素を識別するために使用される。その上、一部の図面は、その他の要素をより明白に示すために、特定の要素を省略することによって簡略化されていることがある。そのような省略は、対応する詳細な説明において明示的に述べられている場合を除いて、必ずしも例示的な実施形態のいずれかの特定の要素の存在または不在を示すものではない。 Although the present specification points out the present invention in detail and concludes with the scope of claims that are clearly claimed, the present invention, when read in conjunction with the accompanying drawings, is detailed in its particular embodiment. It is believed that the description will be better understood. Unless the context indicates otherwise, similar numbers in the drawings are used to identify similar elements in the drawings. Moreover, some drawings may be simplified by omitting certain elements to more clearly show the other elements. Such omissions do not necessarily indicate the presence or absence of any particular element of any of the exemplary embodiments, except as expressly stated in the corresponding detailed description.

センサシステムに組み込まれた電気化学センサの概略断面図である。活性電極および対電極は、電解質層の同じ面の上に位置し(すなわち表面電極)、活性電極は、全体を覆う集電体層を有し、受動信号増幅層は、電解質層の反対の面の上に位置し、電解質層と支持基板との間に封入されている(すなわち埋設されている)。It is a schematic cross-sectional view of an electrochemical sensor incorporated in a sensor system. The active electrode and the counter electrode are located on the same surface of the electrolyte layer (ie, the surface electrode), the active electrode has an overlying current collector layer, and the passive signal amplification layer is the opposite surface of the electrolyte layer. It is located above and is enclosed (ie, embedded) between the electrolyte layer and the support substrate.

図1のデザインに類似する電気化学センサ設計(バイアス源または電流測定装置を含まない)の分解組立図である。センサには、一対の基板層、基板層の間に埋設された加熱器層、基板底面上の測温抵抗体(「RTD」)層、および基板上面の複数の連続した層:信号増幅層(「Pt−B」と表示)、電解質膜層(「GDC」と表示)、活性電極層(「AE」と表示)、対電極層(「CE」と表示)、および活性電極層を覆う集電体層(「CC」と表示)が含まれる。FIG. 6 is an exploded view of an electrochemical sensor design (not including a bias source or current measuring device) similar to the design of FIG. The sensor includes a pair of substrate layers, a heater layer embedded between the substrate layers, a resistance temperature detector (“RTD”) layer on the bottom surface of the substrate, and multiple continuous layers on the top surface of the substrate: a signal amplification layer ( Current collection covering the "Pt-B"), electrolyte membrane layer (displayed as "GDC"), active electrode layer (displayed as "AE"), counter electrode layer (displayed as "CE"), and active electrode layer. Body layers (indicated as "CC") are included.

本明細書に記載されるセンサとともに使用するための回路の略図である。電流測定機能(すなわち電流計)は、シャント抵抗器での電圧降下を測定することによって提供され、電圧降下は、センサを通って流れる電流に比例する。FIG. 6 is a schematic representation of a circuit for use with the sensors described herein. The current measurement function (ie, ammeter) is provided by measuring the voltage drop at the shunt resistor, which is proportional to the current flowing through the sensor.

図4Aおよび図4Bは、電解質層と支持基板との間に封入されている信号増幅層とともに、共通の電解質層、および電解質層の同じ面上の2つの活性電極層の間に位置する共通の対電極層を有する2個の電気化学セルを備えるセンサシステム(表面電極センサとも呼ばれる)のさらに別の代替実施形態の、それぞれ上面および断面の概略図である。4A and 4B show a common electrolyte layer and a common electrode layer located between two active electrode layers on the same surface of the electrolyte layer, together with a signal amplification layer encapsulated between the electrolyte layer and the support substrate. FIG. 5 is a schematic top and cross section of yet another alternative embodiment of a sensor system (also referred to as a surface electrode sensor) comprising two electrochemical cells having a counter electrode layer.

図4Cおよび図4Dは、電解質層と支持基板との間に封入されている信号増幅層とともに、別々の電解質層、および2つの活性電極層の間に位置する共通の対電極層を有する2個の電気化学セルを備える表面電極センサシステムの代替実施形態の、それぞれ上面および断面の概略図である。4C and 4D show two with a signal amplification layer encapsulated between the electrolyte layer and the support substrate, a separate electrolyte layer, and a common counter electrode layer located between the two active electrode layers. It is a schematic view of the top surface and the cross section of the alternative embodiment of the surface electrode sensor system including the electrochemical cell of.

図4Eおよび図4Fは、電解質層と支持基板との間に封入されている信号増幅層とともに、別々の電解質層、および別々の対電極層を有する2個の電気化学セルを備える表面電極センサシステムの別の代替実施形態の、それぞれ上面および断面の概略図である。4E and 4F are surface electrode sensor systems comprising a signal amplification layer encapsulated between an electrolyte layer and a support substrate, as well as two electrochemical cells having separate electrolyte layers and separate counter electrode layers. FIG. 5 is a schematic top and cross section of another alternative embodiment of.

図4Gおよび図4Hは、電解質層と支持基板との間に封入されている信号増幅層とともに、電極が相互嵌合構成を有する、別々の電解質層、および共通の対電極層を有する表面電極センサシステムのさらに別の実施形態の、それぞれ上面および断面の概略図である。4G and 4H show a surface electrode sensor having a signal amplification layer enclosed between the electrolyte layer and the support substrate, a separate electrolyte layer having electrodes interfitting with each other, and a common counter electrode layer. FIG. 5 is a schematic top and cross section of yet another embodiment of the system.

本明細書にさらに記載される、SALを含む様々な追加のセンサの電気化学セル(またはセンス素子)の実施形態の概略断面図である。FIG. 6 is a schematic cross-sectional view of an embodiment of an electrochemical cell (or sense element) of various additional sensors, including SAL, further described herein.

同上。Same as above.

同上。Same as above.

同上。Same as above.

同上。Same as above.

同上。Same as above.

同上。Same as above.

実施例1および2で使用したセンス素子、ならびに模擬燃焼排気でのこれらのセンサの試験の結果を示す図である。It is a figure which shows the result of the test of the sense element used in Examples 1 and 2, and these sensors in the simulated combustion exhaust.

同上。Same as above.

525℃で印加バイアス電圧200mVで試験した、実施例3のセンサについて模擬燃焼排気雰囲気(ベースラインガス、100ppmのNOを含むベースライン、100ppmのNOを含むベースライン、および100ppmのNHを含むベースライン)中での電流信号を比較する棒グラフである。 Simulated combustion exhaust atmosphere (baseline gas, baseline containing 100 ppm NO, baseline containing 100 ppm NO 2 and 100 ppm NH 3 included) for the sensor of Example 3 tested at 525 ° C. with an applied bias voltage of 200 mV. It is a bar graph which compares the current signals in (baseline).

525℃で印加バイアス電圧200mVで試験した、実施例4のセンサについて模擬燃焼排気雰囲気(ベースラインガス、100ppmのNOを含むベースライン、100ppmのNOを含むベースライン、および100ppmのNHを含むベースライン)中での電流信号を比較する棒グラフである。The sensor of Example 4 tested at 525 ° C. with an applied bias voltage of 200 mV contains a simulated combustion exhaust atmosphere (baseline gas, baseline containing 100 ppm NO, baseline containing 100 ppm NO 2 , and 100 ppm NH 3) . It is a bar graph which compares the current signals in (baseline).

525℃で印加バイアス電圧200mVで試験した、実施例5のセンサについて模擬燃焼排気雰囲気(ベースラインガス、100ppmのNOを含むベースライン、100ppmのNOを含むベースライン、および100ppmのNHを含むベースライン)中での電流信号を比較する棒グラフである。 Simulated combustion exhaust atmosphere (baseline gas, baseline containing 100 ppm NO, baseline containing 100 ppm NO 2 and 100 ppm NH 3 included) for the sensor of Example 5 tested at 525 ° C. with an applied bias voltage of 200 mV. It is a bar graph which compares the current signals in (baseline).

525℃で印加バイアス電圧200mVで試験した、実施例6のセンサについて模擬燃焼排気雰囲気(ベースラインガス、100ppmのNOを含むベースライン、100ppmのNOを含むベースライン、および100ppmのNHを含むベースライン)中での電流信号を比較する棒グラフである。Simulated combustion exhaust atmosphere (baseline gas, baseline containing 100 ppm NO, baseline containing 100 ppm NO 2 and 100 ppm NH 3) for the sensor of Example 6 tested at 525 ° C. with an applied bias voltage of 200 mV. It is a bar graph which compares the current signals in (baseline).

順バイアスで動作された、実施例11で使用したセンス素子を概略的に示す図であり、このセンサの模擬燃焼排気での試験の結果を表し、ガス試料中の様々な酸素レベルでのNO、NOおよびNHへの応答を示す。It is a diagram schematically showing the sense element used in Example 11 operated in the forward bias, showing the result of the test in the simulated combustion exhaust of this sensor, NO at various oxygen levels in the gas sample. The response to NO 2 and NH 3 is shown.

逆バイアスで動作された、実施例12で使用したセンス素子を概略的に示す図であり、このセンサの模擬燃焼排気での試験の結果を表し、ガス試料中の様々な酸素レベルでのNO、NOおよびNHへの応答を示す。It is a diagram schematically showing the sense element used in Example 12 operated by the reverse bias, showing the result of the test with the simulated combustion exhaust of this sensor, NO at various oxygen levels in the gas sample. The response to NO 2 and NH 3 is shown.

ガス試料中の様々な酸素レベルでの、そして電気化学セルに印加した様々なレベルの逆バイアスでのNO、NOおよびNHへの応答を示す、図19のセンス素子の試験の結果をグラフで示す図である。Graph the test results of the sense device of FIG. 19 showing the response to NO, NO 2 and NH 3 at various oxygen levels in the gas sample and at various levels of reverse bias applied to the electrochemical cell. It is a figure shown by.

本明細書においてさらに記載されるように、電極の一方または両方が、電解質層の上に位置する集電層を含み、触媒層が集電層の上方に位置する、センス素子の代替実施形態の概略断面図を示す図である。As further described herein, an alternative embodiment of a sense device, wherein one or both of the electrodes comprises a current collector layer located above the electrolyte layer and the catalyst layer is located above the current collector layer. It is a figure which shows the schematic sectional view.

同上。Same as above.

同上。Same as above.

同上。Same as above.

同上。Same as above.

図面は、本発明の範囲を制限するよりもむしろそれを例示することを意図する。本発明の実施形態は、必ずしも図面に示されていない方法で実行されてもよい。従って、図面は本発明の説明において単に補助となることを意図する。従って、本発明は図面に示される正確な配置に制限されない。 The drawings are intended to illustrate it rather than limit the scope of the invention. Embodiments of the present invention may be carried out in a manner not necessarily shown in the drawings. Therefore, the drawings are intended to be merely an aid in the description of the present invention. Therefore, the present invention is not limited to the exact arrangement shown in the drawings.

以下の詳細な説明は、当該分野の当業者が本発明を作製し使用することを可能にする目的のためだけに、本発明の実施形態の例を記載する。従って、これらの実施形態の詳細な説明および例示は、本質的に全くの例証であり、本発明の範囲、またはその保護をいかなる方法によっても決して制限するものではない。また、図面は縮尺通りではなく、特定の例では本発明の理解に必要でない細部が省略されていることも当然理解される。 The following detailed description will describe examples of embodiments of the invention solely for the purpose of allowing those skilled in the art to develop and use the invention. Therefore, the detailed description and illustration of these embodiments are essentially pure illustrations and do not limit the scope of the invention, or its protection, by any means. It is also naturally understood that the drawings are not on scale and in certain cases details not necessary for understanding the present invention are omitted.

本開示は、アンペロメトリック電気化学センサ、ならびにそのようなセンサを用いるセンサシステムおよびガス種検出方法を提供し、それらのセンサは、電解質の上に位置する2つ(またはそれ以上)の表面電極、ならびに受動的な導電性信号増幅層を含む。信号増幅層は、電解質と接触して、表面電極の下にそれとは接触せずに配置される(例えば、電解質層の中に封入されているかまたはそのすぐ下にある)。信号増幅層は、電解質層によって表面電極から離れているにもかかわらず、信号強度を増幅し、場合によって1以上のガス種に関するセンサ選択性に望ましく影響を及ぼす。本明細書においてさらに考察される一研究では、信号増幅層を電解質層の底面とセンサ基板との間に加えることにより、センサの信号強度は10倍以上に増加し、NO、NOおよびNHに対するセンサの感度も大幅に増加した。理論に縛られることを望むものではないが、信号増幅層が横方向の電流路を提供し、活性電極および対電極の領域を効果的に増加させると考えられる。この知見は、電気が通常、酸素イオンだけによって電解質層を通ってまたはその表面に沿って電極間で伝導されるという点で意外である。信号増幅層が存在すると、通常は電解質層を通って電極間で伝導される酸素イオンの一部が、電解質層と信号増幅層の界面で電子に変わると考えられる。これらの電子は、次に信号増幅層を通って運ばれ、その後、信号増幅層と電解質層の界面で酸素と反応して酸素イオンを形成する。たとえこれが2つのさらなる電気化学反応を必要とするとしても、信号増幅層は、電極間の電荷担体の輸送のためのより速い経路を提供する。この知見は、表面電極(相互嵌合した電極を含む)を有する多様なアンペロメトリックセンサに応用することができるが、それは、信号増幅層に使用される材料よりもはるかに低い導電率をもつ材料の上に電極層が積層されているその他の種類のセンサに特に有用である。また、信号増幅層は表面電極間の間隔をより大きくすることができ、それによりセンサの製造を単純化することができる。 The present disclosure provides amperometric electrochemical sensors, as well as sensor systems and gas species detection methods using such sensors, which are two (or more) surface electrodes located above the electrolyte. , As well as a passive conductive signal amplification layer. The signal amplification layer is placed in contact with the electrolyte and under the surface electrode without contact (eg, encapsulated in or just below the electrolyte layer). Although the signal amplification layer is separated from the surface electrode by the electrolyte layer, it amplifies the signal intensity and optionally affects the sensor selectivity for one or more gas species. In one study further discussed herein, adding a signal amplification layer between the bottom surface of the electrolyte layer and the sensor substrate increased the signal strength of the sensor by more than 10-fold, NO, NO X and NH 3. The sensitivity of the sensor to the signal has also increased significantly. Although not bound by theory, it is believed that the signal amplification layer provides a lateral current path and effectively increases the active and counter electrode regions. This finding is surprising in that electricity is usually conducted between the electrodes only by oxygen ions through or along the surface of the electrolyte layer. In the presence of the signal amplification layer, it is considered that a part of oxygen ions normally conducted between the electrodes through the electrolyte layer is converted into electrons at the interface between the electrolyte layer and the signal amplification layer. These electrons are then carried through the signal amplification layer and then react with oxygen at the interface between the signal amplification layer and the electrolyte layer to form oxygen ions. The signal amplification layer provides a faster path for transport of charge carriers between the electrodes, even if this requires two additional electrochemical reactions. This finding can be applied to a variety of amperometric sensors with surface electrodes (including interconnected electrodes), which have much lower conductivity than the materials used for the signal amplification layer. It is particularly useful for other types of sensors in which an electrode layer is laminated on top of the material. Also, the signal amplification layer can have a larger spacing between the surface electrodes, which can simplify the manufacture of the sensor.

2016年4月5日に交付された、参照により本明細書に組み込まれる(以降、「Dayら」)米国特許第9,304,102号は、アンペロメトリックセンサを記載し、それには少なくとも1つのモリブデン酸塩またはタングステン酸塩化合物を含む導電性活性電極が含まれる。Dayらに記載されたセンサは、望ましい温度(例えば、500〜600℃)でNOレベルに高応答性であり、一部の例ではNOとNHの両方に高応答性である。Dayらに記載されたモリブデン酸塩およびタングステン酸塩活性電極組成物は、酸素イオン(O2)伝導性電解質に適用されると、NOおよびNHの存在下で、O還元に対して高い触媒活性を示す。Dayらのセンサは、ガス試料またはガス流中の酸素の還元が活性電極の表面のNOとNH種の存在によって触媒される触媒効果によってNOおよびNHを検出する。また、Dayらのセンサは、ディーゼル排気流のさらなる構成要素である蒸気、二酸化炭素および硫黄酸化物(SO)の存在下でもNOおよびNHに応答性である。 US Pat. No. 9,304,102, issued April 5, 2016, incorporated herein by reference (“Day et al.”), Describes an amperometric sensor, wherein at least one. Includes a conductive active electrode containing one molybdate or tungstate compound. The sensors described by Day et al. Are highly responsive to NO X levels at desirable temperatures (eg, 500-600 ° C.) and, in some cases, to both NO X and NH 3. Molybdate and tungstate active electrode compositions described Day et al., Oxygen ions (O2 -) when applied to conductive electrolyte, in the presence of the NO X and NH 3, with respect to O 2 reduction Shows high catalytic activity. The sensor of Day et al. Detects NO X and NH 3 by a catalytic effect in which the reduction of oxygen in the gas sample or gas stream is catalyzed by the presence of NO X and NH 3 on the surface of the active electrode. The sensors of Day et al. Are also responsive to NO X and NH 3 in the presence of steam, carbon dioxide and sulfur oxides (SO X ), which are additional components of the diesel exhaust stream.

さらに、2016年3月17日に公開され、参照により本明細書に組み込まれる、米国特許出願公開第2016/077044号に記載されるように、1または複数の活性電極で使用されたモリブデン酸塩および/またはタングステン酸塩化合物の選択、ならびに/あるいは1または複数の活性電極の上に適用された1または複数の集電体層の選択を用いてセンサを調整して、例えば、ガス試料中のNOとNHの濃度(すなわち、NOとNHの合計量よりもむしろ、NOの量とNHの量)をそれを用いて求めることができる。 In addition, the molybdates used in one or more active electrodes, as described in US Patent Application Publication No. 2016/077044, published March 17, 2016 and incorporated herein by reference. The sensor is tuned with the selection of and / or tungstate compounds and / or the selection of one or more current collector layers applied over one or more active electrodes, eg, in a gas sample. The concentration of NO X and NH 3 (ie, the amount of NO X and the amount of NH 3 rather than the total amount of NO X and NH 3 ) can be determined using it.

一部の例では、電極が電解質の反対の面の上に位置するのではなく電解質膜の同じ面の上に位置しているセンサを作製することが望ましい。そのような「表面電極」の配置では、電極は1または複数の電解質層に対してセンサの同じ面の上に位置する。電極(例えば、対電極)は電解質の下に埋設されていない。一般に、そのような表面電極は、分析されているガス状の分析物の試料または流れに両方が曝露されるように、電解質層の上面の上に位置する。 In some examples, it is desirable to make a sensor in which the electrodes are located on the same surface of the electrolyte membrane rather than on the opposite surface of the electrolyte. In such a "surface electrode" arrangement, the electrodes are located on the same surface of the sensor with respect to one or more electrolyte layers. The electrodes (eg, counter electrodes) are not embedded beneath the electrolyte. Generally, such surface electrodes are located above the top surface of the electrolyte layer so that both are exposed to the sample or stream of the gaseous analyte being analyzed.

本開示は、一部分、アンペロメトリックセンサの表面電極の下に位置するが接触していない受動的な導電性信号増幅層(以降、「SAL」)が、意外にも信号強度と、場合によって1以上のガス種に関するセンサ選択性を増強するという意外な発見に基づく。例として、センサ電極は電解質の上面の上に位置することができ、SALは電解質の中または下に位置することができる。本開示の代替実施形態では、アンペロメトリックセンサの電極の一方または両方は、電解質層の上に位置する集電層を含み、触媒層は集電層の上方に位置する。 In the present disclosure, a passive conductive signal amplification layer (hereinafter referred to as “SAL”), which is partially located below the surface electrode of an amperometric sensor but is not in contact with the surface electrode, unexpectedly has a signal strength and, in some cases, 1 Based on the surprising discovery of enhancing sensor selectivity for the above gas types. As an example, the sensor electrode can be located above the top surface of the electrolyte and the SAL can be located inside or below the electrolyte. In an alternative embodiment of the present disclosure, one or both of the electrodes of the amperometric sensor comprises a current collector layer located above the electrolyte layer and the catalyst layer is located above the current collector layer.

本明細書に記載されるアンペロメトリック電気化学センサ、センサシステムおよび検出方法の実施形態は、表面電極配置を用いてガス状の分析物の試料または流れにおいて標的ガス種を検出するのに適合している。従って、1または複数の電解質層に対して電極がセンサの反対の面の上に位置する代わりに、電極は1または複数の電解質層に対してセンサの同じ面の上に位置する。一部の実施形態では、受動的な導電性信号増幅層、すなわちSAL(本明細書でさらに記載される)も、センサから離れて提供される。SALは電解質層と導電接触していて、例えば、電解質層の、電極の面と反対の面に位置することができる(例えば、電解質層とセンサ基板との間)。SALは、電解質層と基板との間に完全に封入されるか(例えば、図1参照)、または(例えば、SALの外縁が電解質または基板によって覆われていないように)部分的にだけ封入されることができる。さらに別の代替形態として、SALは、その上に電解質層が位置する基板とSALが接触しないように、電解質層の上面と下面の両方から離れて、電解質層の中に完全に封入されることができる。一部の例では、SALによって提供される利点は、SALと電極との距離が、電極とSALの間に短絡が起こるほど小さくならずに最小となるときに、より大きい。 Embodiments of amperometric electrochemical sensors, sensor systems and detection methods described herein are adapted to detect a target gas species in a sample or stream of gaseous analyte using surface electrode arrangements. ing. Thus, instead of the electrode being located on the opposite surface of the sensor with respect to one or more electrolyte layers, the electrode is located on the same surface of the sensor with respect to one or more electrolyte layers. In some embodiments, a passive conductive signal amplification layer, or SAL (further described herein), is also provided away from the sensor. The SAL is in conductive contact with the electrolyte layer and can be located, for example, on the surface of the electrolyte layer opposite to the electrode surface (eg, between the electrolyte layer and the sensor substrate). The SAL is either completely encapsulated between the electrolyte layer and the substrate (eg, see FIG. 1) or only partially (eg, so that the outer edge of the SAL is not covered by the electrolyte or substrate). Can be done. As yet another alternative, the SAL is completely encapsulated in the electrolyte layer, away from both the top and bottom surfaces of the electrolyte layer so that the substrate on which the electrolyte layer is located does not come into contact with the SAL. Can be done. In some examples, the advantage provided by SAL is greater when the distance between the SAL and the electrode is minimized, not small enough to cause a short circuit between the electrode and the SAL.

信号増幅層は、センサ、バイアス源または電流測定装置との直接電気接続または接触がないという点で受動的である。実際、一部の実施形態では、SALは電解質層および基板(一般に非導電性である)との直接の導電性接触でのみ存在する。電極とSALとの間の全ての伝導性は、センサの電解質層を通るものであり、他のいかなる電流または電気バイアスもSALに加えられない。その受動的な性質にも関わらず、信号増幅層が信号強度および場合によって特定のガス種に対するセンサ感度を意外にも大幅に増強することを本発明者らは見出した。 The signal amplification layer is passive in that it has no direct electrical connection or contact with a sensor, bias source or current measuring device. In fact, in some embodiments, the SAL is only present in direct conductive contact with the electrolyte layer and substrate (generally non-conductive). All conductivity between the electrodes and the SAL is through the electrolyte layer of the sensor and no other current or electrical bias is applied to the SAL. Despite its passive nature, the inventors have found that the signal amplification layer surprisingly significantly enhances the signal strength and, in some cases, the sensor sensitivity to a particular gas species.

本開示はSALをその中に組み込んでいるアンペロメトリックセンサを記載するが、受動的な導電性信号増幅層の使用は、表面電極を用いる多様なその他のアンペロメトリックセンサおよびセンサシステム、ならびに混成電位センサおよびセンサシステムに応用することができる。これには、例えば、表題「Amperometric electrochemical cells and sensors」の米国特許第8,974,657号、2009年9月3日公開の米国特許出願公開第2009/0218220号、およびDayら(米国特許第9,304,102号)に記載されるセンサおよびセンサシステムが含まれる。前述の参考文献の各々は、参照により本明細書に組み込まれる。 Although the present disclosure describes an amperometric sensor incorporating SAL therein, the use of passive conductive signal amplification layers includes a variety of other amperometric sensors and sensor systems with surface electrodes, as well as hybrids. It can be applied to potential sensors and sensor systems. These include, for example, U.S. Pat. No. 8,974,657 under the title "Amperometric electrical cells and sensors," U.S. Patent Application Publication No. 2009/0218220, published September 3, 2009, and Day et al. 9, 304, 102)) includes the sensors and sensor systems described. Each of the aforementioned references is incorporated herein by reference.

SALは、センサの製造に適した多様な導電性材料のいずれかで作製することができる。適した材料としては、例えば、Pt、Pd、Au、Ag、前述の金属の合金(例えば、PtとPd、Auおよび/またはAuの合金)、およびその他の導電性金属導電性セラミックまたはサーメットが挙げられる。白金が特に有用である。 The SAL can be made of any of a variety of conductive materials suitable for the manufacture of sensors. Suitable materials include, for example, Pt, Pd, Au, Ag, alloys of the aforementioned metals (eg alloys of Pt and Pd, Au and / or Au), and other conductive metals conductive ceramics or cermets. Be done. Platinum is especially useful.

一部の実施形態では、本明細書に記載されるアンペロメトリック電気化学センサ、センサシステムおよび検出方法は、ガス状の分析物の試料または流れにおいて1以上の標的ガス種を検出するのに適合している。1つのガス種を検出するための実施形態では(NOの存在および/または濃度などの2以上の関連ガス種の組合せを検出することを含む)、センサは、少なくとも1個の電気化学セルを含む。2以上のガス種を検出するための、特に個々のガス種の濃度の決定に用いるための実施形態では、センサには通常少なくとも2個の電気化学セルが含まれる。例として、2個の電気化学セルを備えるセンサは、セルの一方が目的のガス種に対して付加的応答を示し、もう一方のセルが少なくとも1つのガス種に対して選択的応答を示すように構成することができる。あるいは、本明細書にさらに記載されるように、1個の電気化学セルを備えるセンサは、2以上の応答特性を得るために2以上の別々の条件(例えば、順バイアスおよび逆バイアス)下で動作させることができる。一部の実施形態では、センサの2個(以上)の電気化学セルは、完全に分離した構造であり、一方その他の実施形態ではセンサの2個(以上)の電気化学セルは、1以上の構成要素、例えば共通の電解質層、SAL、基板、対電極または活性電極などを共有する。 In some embodiments, the amperometric electrochemical sensors, sensor systems and detection methods described herein are adapted to detect one or more target gas species in a sample or stream of gaseous analyte. doing. In an embodiment for detecting one gas species (including detecting a combination of two or more related gas species such as the presence and / or concentration of NO X), the sensor comprises at least one electrochemical cell. include. In embodiments for detecting two or more gas species, especially for use in determining the concentration of individual gas species, the sensor typically includes at least two electrochemical cells. As an example, in a sensor with two electrochemical cells, one of the cells responds additionally to the gas species of interest and the other cell responds selectively to at least one gas species. Can be configured in. Alternatively, as further described herein, a sensor with one electrochemical cell under two or more separate conditions (eg, forward bias and reverse bias) to obtain two or more response characteristics. Can be operated. In some embodiments, the two (or more) electrochemical cells of the sensor have a completely separate structure, while in other embodiments, the two (or more) electrochemical cells of the sensor are one or more. It shares components such as a common electrolyte layer, SAL, substrate, counter electrode or active electrode.

一般に、本開示の実施形態によるアンペロメトリック表面電極センサの各々の電気化学セルには、導電性活性電極、導電性対電極(場合によって第2の活性電極と呼ばれる)、電解質層、およびSALが含まれる。活性電極および対電極は、酸素イオンが電解質層の表面および内部を通って伝導されるように、電解質層の同じ面の上に、間隔を置いた関係で位置する。一部の例では、活性電極および対電極は、電解質層上で並んで配置される。あるいは、活性電極および対電極は、相互に嵌合した配置(例えば、図4Gに示される通り)で形成されることができる。一部の実施形態では、活性電極と電気的に連絡している(例えば、それと接触している)集電体層も含められ、同様に、一部の例では、対電極(または第2の活性電極)と電気的に連絡している集電体層も含められる。下で考察されるように、1または複数の集電体層は、電極の上部に適用されることができる。あるいは、1または複数の集電体層は、これも下で考察されるように、電極と電解質層との間に位置することができる。 In general, each electrochemical cell of the amperometric surface electrode sensor according to the embodiments of the present disclosure contains a conductive active electrode, a conductive counter electrode (sometimes referred to as a second active electrode), an electrolyte layer, and a SAL. included. The active and counter electrodes are spaced apart from each other on the same surface of the electrolyte layer so that oxygen ions are conducted through the surface and interior of the electrolyte layer. In some examples, the active and counter electrodes are arranged side by side on the electrolyte layer. Alternatively, the active electrode and the counter electrode can be formed in a mutually fitted arrangement (eg, as shown in FIG. 4G). In some embodiments, a current collector layer that is in electrical contact with (eg, in contact with) the active electrode is also included, and similarly, in some examples, the counter electrode (or second). A current collector layer that is in electrical contact with the active electrode) is also included. As discussed below, one or more current collector layers can be applied to the top of the electrodes. Alternatively, one or more current collector layers can be located between the electrode and the electrolyte layer, also as discussed below.

単なる例として、本明細書に記載されるアンペロメトリックセンサ、システムおよび方法は、少なくとも一部分、電界触媒作用を用いる、燃焼した炭化水素燃料排気の酸素含有環境中のNOおよび/またはNHなどの標的ガス種を検出するために使用することができる。より具体的な例として、NOとNHの両方に対して感度が大幅に強化された、アンペロメトリックセンサ、センサシステムおよび検出方法は、燃焼排気流(例えば、車両のディーゼルエンジンからの排気ガス)において動作することができる。一部の例では、センサは、NOおよびNHの濃度の分化および定量化を可能にするように構成することができる。 As a mere example, the amperometric sensors, systems and methods described herein, at least in part, use electrocatalysis, such as NO X and / or NH 3 in an oxygen-containing environment of burned hydrocarbon fuel exhaust. It can be used to detect the target gas species of. As a more specific example, amperometric sensors, sensor systems and detection methods with significantly enhanced sensitivity to both NO X and NH 3 include combustion exhaust streams (eg, exhaust from the vehicle's diesel engine). Can operate in gas). In some examples, the sensor may be configured to allow the differentiation and quantification of the concentration of the NO X and NH 3.

本明細書に記載される電気化学センサ、センサシステムおよび方法の実施形態は、標的ガス(例えば、NO)濃度を検知するために、そのガス種の分解(例えば、NOの接触分解)に頼るよりもむしろ、2つの電極間に印加されたバイアスの影響下で、吸着したガス種(例えば、NO)がセンサの活性電極での酸素還元の割合を変える場合に予測可能な方法で反応する電流測定装置/方法として構成される。吸着されたNOの存在に起因する、酸素還元電流の変化は、酸素を含むガス試料またはガス流中のNOの存在および/または濃度を検出するために用いられる。この機構は非常に速く、NOの還元だけから可能であるよりも大きい電流を生成する。さらに、この触媒手法は、NHにも及ぶことが実証された。 Embodiment of an electrochemical sensor, sensor systems and methods described herein, the target gas (e.g., NO X) in order to detect the concentration, the decomposition of the gas species (e.g., catalytic cracking of NO X) Rather than relying on it, under the influence of a bias applied between the two electrodes, the adsorbed gas species (eg NO X ) reacts in a predictable manner when changing the rate of oxygen reduction at the active electrode of the sensor. It is configured as a current measuring device / method. Due to the presence of adsorbed NO X, the change in oxygen reduction current is used to detect the presence and / or concentration of the NO X in the gas sample or gas stream containing oxygen. This mechanism is very fast and produces a larger current than is possible from the reduction of NO X alone. Furthermore, the catalyst approach that extends to NH 3 was demonstrated.

一部の実施形態では、アンペロメトリックセラミック電気化学センサの各々の電気化学セルは、約400〜700℃の動作温度でイオン伝導する材料の連続的なネットワークを含む電解質層;約400〜700℃の動作温度で導電性である対電極層;および約400〜700℃の動作温度で導電性である活性電極層を含む。活性電極層は、1以上の標的ガス種の存在下での電荷移動の変化を示すように動作可能であり、モリブデン酸塩またはタングステン酸塩化合物を、一般に電解質および金属などのその他の材料と組み合わせて含む。電極層は電解質層の同じ面の上に位置するが、互いに物理的に接触していない(すなわち、それらは離間している)。電気化学セルの実施形態は、約400〜700℃の動作温度で酸素イオンの伝導性を示すように動作可能である。電極間にバイアスが印加される場合、1または複数個の電気化学セルは、酸素ポンピング電流の不在下の酸素を含むガス流中の標的ガス濃度の関数として、電気信号を生成する。 In some embodiments, each electrochemical cell of the amperometric ceramic electrochemical sensor is an electrolyte layer comprising a continuous network of materials that conduct ions at an operating temperature of about 400-700 ° C; about 400-700 ° C. Includes a counter electrode layer that is conductive at the operating temperature of; and an active electrode layer that is conductive at an operating temperature of about 400-700 ° C. The active electrode layer can operate to show changes in charge transfer in the presence of one or more target gas species, combining molybdate or tungstate compounds, generally with other materials such as electrolytes and metals. Including. The electrode layers are located on the same surface of the electrolyte layer, but are not in physical contact with each other (ie, they are separated). Embodiments of the electrochemical cell can operate to exhibit the conductivity of oxygen ions at an operating temperature of about 400-700 ° C. When a bias is applied between the electrodes, one or more electrochemical cells generate an electrical signal as a function of the concentration of the target gas in the oxygen-containing gas stream in the absence of an oxygen pumping current.

一部の実施形態では、1または複数個の電気化学セルは、約400〜700℃の動作温度で導電性である集電体層をさらに含み、該集電体層は、1または複数の活性電極層と電気的に連絡している(例えば、その表面の上に位置している)。集電体層は、特に約400〜700℃の動作温度で活性電極層よりも導電性が高い。集電体層の目的は、活性電極の導電率を増加させることである。しかし、一部の実施形態では、集電体層は、それが活性電極で生じる触媒反応および電気化学反応を操作もし、それによって1以上の目的のガス種(例えば、NO、NOまたはNH)に対する感度を低下または強化させるように選択することもできる。これらの実施形態では、活性電極と集電体層の組合せは2層活性電極とみなすことができる。 In some embodiments, the one or more electrochemical cells further include a current collector layer that is conductive at an operating temperature of about 400-700 ° C., the current collector layer being one or more active. It is in electrical contact with the electrode layer (eg, located on its surface). The current collector layer is more conductive than the active electrode layer, especially at an operating temperature of about 400 to 700 ° C. The purpose of the current collector layer is to increase the conductivity of the active electrode. However, in some embodiments, the current collector layer also manipulates the catalytic and electrochemical reactions that occur at the active electrode, thereby causing one or more gas species of interest (eg, NO, NO 2 or NH 3). ) Can also be selected to reduce or enhance sensitivity to). In these embodiments, the combination of the active electrode and the current collector layer can be regarded as a two-layer active electrode.

本明細書に記載されるセンサは、例えばNO、NOおよびNHを検出し(3ppmと低いレベルでの検出を含む)、かつ/あるいは50msと速い応答時間を示す能力を有するように作製し、良好なシステム制御またはエンジンフィードバック制御さえも可能にすることができる。400〜700℃の温度範囲で動作するように構成された場合、一部の実施形態のNOおよびNHの応答は、変化しやすいバックグラウンド排気ガスに対する感度よりも大きい。 The sensors described herein are made to be capable of detecting, for example, NO, NO 2 and NH 3 (including detection at levels as low as 3 ppm) and / or exhibiting fast response times of 50 ms. , Good system control or even engine feedback control can be enabled. When configured to operate in the temperature range of 400-700 ° C., the response of NO X and NH 3 in some embodiments is greater than the sensitivity to variable background exhaust.

本明細書に記載されるセンサ、センサシステムおよび検出方法は、大型トラックおよび静止型発電機に見出される排気装置を含むディーゼル排気装置におけるNOの検出に適用性を有するが、特に酸素を含むガス流または試料中で、低レベルのNOおよび/またはNHに対する迅速な応答が望まれる広範囲のその他の用途においても有用である。例には、ディーゼル発電設備、大規模静止型発電装置、タービンエンジン、天然ガス燃焼ボイラーが、さらに特定の電化製品(例えば、天然ガスを動力源とする炉、温水器、ストーブ、オーブンなどが)でさえ含まれる。センサ、センサシステムおよび検出方法は、固定または変動濃度のその他のガス、例えばO、CO、SOx(SOおよび/またはSO)、HO、およびNHなどの存在下で低レベルのNOを検知する際に特に有用である。 Sensor described herein, sensor systems and detection methods will have applicability to the detection of the NO X in a diesel exhaust system comprising an exhaust system found in heavy truck and stationary generators, gas particularly containing oxygen It is also useful in a wide range of other applications where a rapid response to low levels of NO X and / or NH 3 is desired in the stream or sample. Examples include diesel generators, large static generators, turbine engines, natural gas combustion boilers, and more specific electrical appliances (eg, natural gas powered furnaces, water heaters, stoves, ovens, etc.). Even included. Sensors, sensor systems and detection methods are at low levels in the presence of other gases of fixed or variable concentration, such as O 2 , CO 2 , SOx (SO and / or SO 2 ), H 2 O, and NH 3. It is especially useful in detecting NO X.

特定の電解質、電極、集電体およびSAL組成に言及することにより、様々な電気化学センサ、センサシステムおよび検出方法が本明細書に記載される。しかし、本明細書に記載される電気化学センサ、センサシステムおよび検出方法は、広範囲の材料で有益な結果をもたらすであろう。図面に表示される厚さは非常に誇張されているので、縮尺通りであるものでないことが理解されるであろう。その上、文脈が別に示す場合を除いて、用語「検出する」、「検出」、および「検出すること」は、標的種の存在の検出だけでなく、標的種の量または濃度を検知または測定することも包含することが意図される。 Various electrochemical sensors, sensor systems and detection methods are described herein by reference to specific electrolytes, electrodes, current collectors and SAL compositions. However, the electrochemical sensors, sensor systems and detection methods described herein will yield beneficial results in a wide range of materials. It will be understood that the thickness shown in the drawings is so exaggerated that it is not on scale. Moreover, unless the context otherwise indicates, the terms "detect", "detect", and "detect" not only detect the presence of a target species, but also detect or measure the amount or concentration of the target species. It is also intended to include what to do.

2個以上の電気化学セルを有する一部の実施形態では、標的ガス種が、その濃度に比例する第1の電気化学セル内で還元される酸素の量を変えるように、第1の電気化学セルの活性電極および/または集電体層は、2以上の標的ガス種(例えば、NOとNH)に曝露される。結果として、ガス試料またはガス流中の標的ガス種の総濃度は、任意の所与の印加電圧バイアスおよびセンサ温度で第1の電気化学セルを通る酸素イオン電流と相関させることができる。この例のセンサの第1の電気化学セルの応答は、所与の電圧バイアスおよび温度で測定された電流が、標的ガス種(例えば、NOとNH)の合わせた総濃度と相関することができるという点で「付加的」である。第2の電気化学セルの活性電極および/または集電体層も、2以上の標的種に曝露される。しかし、第2の電気化学セルは、標的ガス種の第1のガス種(例えば、NO)が第2のセル内で還元される酸素の量を測定できる程度に変え、標的ガス種の第2のガス種(例えば、NH)の第2のセル内で還元される酸素の量への影響(存在する場合)が大幅に小さいように、構成および/または動作する。従って、第2の電気化学セルを通る測定電流は第1の標的ガス種(例えば、NO)の濃度と相関させることができるが、第2の標的ガス種の濃度の変化は第2の電気化学セルを通る測定電流に認識できるほど影響(仮にある場合)を及ぼさないという点で、第2の電気化学セルは標的ガス種の第1のガス種に関して「選択的」である。このように、標的ガス種の濃度を求めることができる。当然、例えば、2以上のガス種を検出するために、任意の数の電気化学セルを1つのセンサの一部として提供することができる。 In some embodiments having two or more electrochemical cells, the first electrochemical is such that the target gas species changes the amount of oxygen reduced in the first electrochemical cell in proportion to its concentration. The active electrode and / or collector layer of the cell is exposed to more than one target gas species (eg, NO X and NH 3). As a result, the total concentration of the target gas species in the gas sample or gas stream can be correlated with the oxygen ion current through the first electrochemical cell at any given applied voltage bias and sensor temperature. The response of the first electrochemical cell of the sensor in this example is that the current measured at a given voltage bias and temperature correlates with the combined total concentration of the target gas species (eg NO X and NH 3). It is "additional" in that it can be done. The active electrode and / or current collector layer of the second electrochemical cell is also exposed to more than one target species. However, the second electrochemical cell changes the amount of oxygen reduced in the second cell by the first gas species (eg, NO X ) of the target gas species to the extent that it can be measured, and the second electrochemical cell of the target gas species. The configuration and / or operation is such that the effect (if present) on the amount of oxygen reduced in the second cell of the two gas species (eg, NH 3) is significantly smaller. Therefore, the measured current through the second electrochemical cell can be correlated with the concentration of the first target gas species (eg, NO X ), but the change in the concentration of the second target gas species is the second electricity. The second electrochemical cell is "selective" with respect to the first gas species of the target gas species in that it has no recognizable effect (if any) on the measured current through the chemical cell. In this way, the concentration of the target gas species can be determined. Of course, any number of electrochemical cells can be provided as part of one sensor, for example, to detect two or more gas species.

図1は、1個の電気化学セル(20)(すなわちセンサ)ならびにバイアス源(40)および電流測定装置(50)を含む回路を含む例示的なアンペロメトリックセンサシステム(10)を示す。本明細書に記載されるセンサシステムの一部の実施形態は少なくとも2個の電気化学セルを含む。そのため図1のセンサシステムはそのようなセンサシステムの半分しか描写していないことは理解されるであろう。例えば、図4Fは、一般に2個の電気化学セルを含むセンサを表す。各々のセルは図1に示されるセンサの個々のセル(20)と構造が類似し、共通の基板(428)の上に積層されている。 FIG. 1 shows an exemplary amperometric sensor system (10) that includes a circuit that includes one electrochemical cell (20) (ie, a sensor) and a bias source (40) and a current measuring device (50). Some embodiments of the sensor system described herein include at least two electrochemical cells. Therefore, it will be understood that the sensor system of FIG. 1 depicts only half of such a sensor system. For example, FIG. 4F typically represents a sensor containing two electrochemical cells. Each cell is similar in structure to the individual cell (20) of the sensor shown in FIG. 1 and is laminated on a common substrate (428).

電気化学セル(20)には、活性電極(22)、対電極(26)、および電極(22、26)がその上に位置している酸素イオン伝導性の電解質層(24)が含まれる。例として、導電性活性電極(22)は、少なくとも1つのモリブデン酸塩またはタングステン酸塩化合物を含む。示されるように、受動的な導電性信号増幅層(すなわちSAL)(27)は、電解質膜(24)の下に位置し、非導電性基板(28)がSAL(27)を支持している。この実施形態では、SAL(27)が電解質層(24)および基板(28)によって完全に封入されている。バイアス源(40)は、2つの電極(22、26)間にバイアス電圧を印加するように構成され、電流測定装置(50)は、センサ(20)を通る、結果として生じる電流を測定するように構成されている。バイアス源(40)は、活性電極(22)と対電極(26)の間にバイアスを印加するのに適した多様な電源、またはその他の装置のいずれかから成ることができる。図1の電流測定装置(50)は、当業者に公知の(または今後に開発される)多様な構造および装置のいずれか、例えば電流計などから成ることができる。当業者に周知のように、電流計は、シャント抵抗器および電圧計の組合せによって提供されることができる(図3に示される通り)。 The electrochemical cell (20) includes an active electrode (22), a counter electrode (26), and an oxygen ion conductive electrolyte layer (24) on which the electrodes (22, 26) are located. As an example, the conductive active electrode (22) comprises at least one molybdate or tungstate compound. As shown, the passive conductive signal amplification layer (ie SAL) (27) is located beneath the electrolyte membrane (24) and the non-conductive substrate (28) supports the SAL (27). .. In this embodiment, the SAL (27) is completely encapsulated by the electrolyte layer (24) and the substrate (28). The bias source (40) is configured to apply a bias voltage between the two electrodes (22, 26) so that the current measuring device (50) measures the resulting current through the sensor (20). It is configured in. The bias source (40) can consist of either a variety of power supplies suitable for applying a bias between the active electrode (22) and the counter electrode (26), or any other device. The current measuring device (50) of FIG. 1 can consist of any of a variety of structures and devices known to those skilled in the art (or will be developed in the future), such as an ammeter. As is well known to those of skill in the art, ammeters can be provided by a combination of a shunt resistor and a voltmeter (as shown in FIG. 3).

図2は、追加のいくつかの構成要素を含む、図1に類似の電気化学センサの分解組立図である。図2のセンサは、絶縁基板(すなわち図2中の一番上のAl層)の上に以下の層を順次積層することによって作製される:信号増幅層(「Pt−B」);SALの上に積層される1つの共通の電解質層(「GDC」);電解質層の上面の一部分に積層される活性電極層(「AE」);活性電極から間隔を置いて、電解質層の上面の異なる一部分に積層される対電極層(CE);および活性電極層の上面に積層される第1の集電体層(「CC」)。所望であれば、第2の集電体層を対電極層の上面に積層することができる。図2に示される実施形態では、センサには、基板層の間に埋設された白金抵抗ヒータ(「Pt−H」)、および第2の基板層の底面に積層された白金測温抵抗体(センサ温度をモニターするための「Pt−RTD」)とともに、第2の絶縁Al基板層が含まれる。電極および集電体のリード線(「Pt−L」)も示され、Pt−HおよびPt−RTDのリード線も描写される。 FIG. 2 is an exploded view of an electrochemical sensor similar to FIG. 1, including some additional components. The sensor of FIG. 2 is made by sequentially stacking the following layers on an insulating substrate (ie, the top Al 2 O 3 layer in FIG. 2): signal amplification layer (“Pt−B”). One common electrolyte layer laminated on top of the SAL (“GDC”); active electrode layer laminated on a portion of the top surface of the electrolyte layer (“AE”); A counter electrode layer (CE) laminated on different portions of the top surface; and a first current collector layer (“CC”) laminated on the top surface of the active electrode layer. If desired, the second current collector layer can be laminated on the upper surface of the counter electrode layer. In the embodiment shown in FIG. 2, the sensor includes a platinum resistance heater (“Pt—H”) embedded between the substrate layers and a platinum resistance temperature detector laminated on the bottom surface of the second substrate layer (“Pt—H”). A second insulating Al 2 O 3 substrate layer is included along with a "Pt-RTD") for monitoring the sensor temperature. Electrode and current collector leads ("Pt-L") are also shown, and Pt-H and Pt-RTD leads are also depicted.

図1に戻ると、集電体(36)が酸素を含むガスに曝露され、電圧バイアスが電極(22、26)の間に印加され、電気化学セル(20)は適した動作温度に加熱されると、活性電極(22)で酸素分子が還元される。1以上の標的ガス種(例えば、NOおよび/またはNH)の存在は、活性電極(22)で還元される酸素の量(標的種濃度に比例)に影響を及ぼす。結果として生じる酸素イオンは、電解質膜(24)を横切って通って対電極(26)に伝導され、そこで酸素イオンは酸化してOを再形成し、測定可能な電流を生じる。SAL(27)は、電子輸送のための横方向の電流路を電解質の下で提供する。上で説明したように、SAL(27)は一方の電極から他方の電極への酸素イオンの輸送を強化すると考えられる。順バイアス下で、SAL(27)は、電解質層との界面を提供し、そこで活性電極(22)からの酸素イオンが電子に変換される。これらの電子は、次にSAL(27)を通って対電極(26)の下の領域に運ばれ、その後、SAL/電解質界面で酸素と反応して酸素イオンを形成する。これらの酸素イオンは、次に電解質層を通って対電極(26)に輸送される。従って、SAL(27)は、電解質を通して一方の電極から他方の電極まで酸素イオンを輸送するためのさらなる(そしてより速い)経路を提供する。しかし、SALを通して輸送されるのは電子であって酸素イオンではないことは理解されるべきである。 Returning to FIG. 1, the current collector (36) is exposed to a gas containing oxygen, a voltage bias is applied between the electrodes (22, 26), and the electrochemical cell (20) is heated to a suitable operating temperature. Then, the oxygen molecule is reduced at the active electrode (22). The presence of one or more target gas species (eg, NO X and / or NH 3 ) affects the amount of oxygen reduced at the active electrode (22) (proportional to the target species concentration). The resulting oxygen ions are conducted across the electrolyte membrane (24) to the counter electrode (26), where the oxygen ions oxidize to reshape O 2 and produce a measurable current. SAL (27) provides a lateral current path for electron transport under the electrolyte. As explained above, SAL (27) is believed to enhance the transport of oxygen ions from one electrode to the other. Under forward bias, SAL (27) provides an interface with the electrolyte layer, where oxygen ions from the active electrode (22) are converted to electrons. These electrons are then carried through the SAL (27) to the region below the counter electrode (26) and then react with oxygen at the SAL / electrolyte interface to form oxygen ions. These oxygen ions are then transported through the electrolyte layer to the counter electrode (26). Therefore, SAL (27) provides an additional (and faster) route for transporting oxygen ions from one electrode to the other through the electrolyte. However, it should be understood that it is the electrons, not the oxygen ions, that are transported through the SAL.

一部のセンサ実施形態では(本明細書にさらに記載される例で使用されるものを含む)、電解質層は多孔質である。その他の実施形態では、電解質層は高密度である(貫通多孔性でない)。図1に示される実施形態では、SAL(27)が電解質膜(24)と基板(28)との間に完全に封入されているように、電解質膜(24)は、SAL(27)の両端に広がる。その他の実施形態、例えば図7および8などでは、SALは完全に封入されていない。そのため、図1の実施形態で完全に封入されているSAL(27)は、図7および8に示されるSAL配置(すなわち、電解質がSALの周囲全体に広がっていない)に置き換えることができることが理解される。本明細書において、「完全に封入されている」とは、SALが電解質層と基板によって取り囲まれているか、または電解質層だけに取り囲まれている(すなわち、SALは基板と接触しておらず(not in contract with)、むしろ電解質層の一部がSALと基板との間に位置している)ことを意味する。 In some sensor embodiments (including those used in the examples further described herein), the electrolyte layer is porous. In other embodiments, the electrolyte layer is dense (not penetrating). In the embodiment shown in FIG. 1, the electrolyte membrane (24) is located at both ends of the SAL (27) so that the SAL (27) is completely encapsulated between the electrolyte membrane (24) and the substrate (28). Spread to. In other embodiments, such as FIGS. 7 and 8, the SAL is not completely encapsulated. Therefore, it is understood that the fully encapsulated SAL (27) in the embodiment of FIG. 1 can be replaced with the SAL arrangement shown in FIGS. 7 and 8 (ie, the electrolyte does not spread all around the SAL). Will be done. As used herein, "completely encapsulated" means that the SAL is surrounded by an electrolyte layer and a substrate, or is surrounded only by the electrolyte layer (ie, the SAL is not in contact with the substrate (ie). Not in contract with), rather a part of the electrolyte layer is located between the SAL and the substrate).

本明細書に記載されるセンサの実施形態には基板が含まれ、その基板の上に1または複数個の電気化学セルが作製されるか、または別の場合には支持され、それによりセンサへの機械的支持を提供する。基板は通常非導電性である(すなわち絶縁している)。基板は、絶縁セラミック材料(例えば、酸化アルミニウム)などの任意の適した絶縁材料あるいは絶縁材料で被覆した金属またはサーメット材料を含んでよい。一実施形態では、センサには、ジルコニア基板、より具体的にはイットリウム安定化ジルコニア(YSZ)基板が含まれる。 Embodiments of the sensor described herein include a substrate on which one or more electrochemical cells are made or otherwise supported, thereby to the sensor. Provides mechanical support for. Substrates are usually non-conductive (ie insulated). The substrate may include any suitable insulating material such as an insulating ceramic material (eg, aluminum oxide) or a metal or cermet material coated with the insulating material. In one embodiment, the sensor includes a zirconia substrate, more specifically an yttria-stabilized zirconia (YSZ) substrate.

あるいは、基板はケイ素または炭化ケイ素などの半導体材料を含んでよく、1または複数個の電気化学セルの構成要素が半導体製造技術を用いて基板の表面に作製される。 Alternatively, the substrate may comprise a semiconductor material such as silicon or silicon carbide, and components of one or more electrochemical cells are made on the surface of the substrate using semiconductor manufacturing techniques.

活性電極がモリブデン酸塩および/またはタングステン酸塩化合物を含む実施形態では、多様なモリブデン酸塩および/またはタングステン酸塩化合物のいずれかを使用することができる。適した化合物としては、式A(Mo(1−Z)(X+3Y)(式中、XおよびYは、各々独立に1〜5の整数から選択され、0≦Z≦1であり、Aは、Moおよび/またはWと二元化合物を形成する1以上のイオンである)を有する化合物が挙げられる。より具体的な例として、Aは、Mg、Zn、Ni、Co、Fe、Mn、Cu、Ca、Sr、Ba、およびPbの1以上である。一部の実施形態では、XおよびYは両方が1であり、Zは0である。そのようなモリブデン酸塩化合物の特定の例としては、MgMoO、ZnMoO、NiMoO、CoMoO、FeMoO、MnMoO、CuMoO、CaMoO、SrMoO、BaMoO、およびPbMoOが挙げられる。その他の実施形態では、XおよびYは両方が1であり、Zは1である。そのようなタングステン酸塩化合物の特定の例としては、MgWO、ZnWO、NiWO、CoWO、FeWO、MnWO、CuWO、CaWO、SrWO、BaWO、およびPbWOが挙げられる。 In embodiments where the active electrode comprises a molybdate and / or tungstate compound, any of a variety of molybdate and / or tungstate compounds can be used. Suitable compounds, wherein A X (Mo (1-Z ) W Z) Y O (X + 3Y) ( wherein, X and Y are selected from each independently represents an integer of 1 to 5, 0 ≦ Z ≦ 1 A is one or more ions that form a binary compound with Mo and / or W). As a more specific example, A is one or more of Mg, Zn, Ni, Co, Fe, Mn, Cu, Ca, Sr, Ba, and Pb. In some embodiments, both X and Y are 1 and Z is 0. Specific examples of such molybdate compounds include MgMoO 4 , ZnMoO 4 , NiMoO 4 , CoMoO 4 , FeMoO 4 , MnMoO 4 , CuMoO 4 , CaMoO 4 , SrMoO 4 , BaMoO 4 , and PbMoO 4. .. In other embodiments, both X and Y are 1, and Z is 1. Specific examples of such tungstate compounds include MgWO 4 , ZnWO 4 , NiWO 4 , CoWO 4 , FeWO 4 , MnWO 4 , CuWO 4 , CaWO 4 , SrWO 4 , BaWO 4 , and PbWO 4. ..

少なくとも1つのモリブデン酸塩またはタングステン酸塩化合物を含む活性電極は、多様な特定の組成を有することがあり、それには例えば以下が含まれる:
(a)例えば、30%超、50%超、80%超または90%超(体積による)のモリブデン酸塩またはタングステン酸塩化合物を含む活性電極をはじめとするモリブデン酸塩化合物(AMo(X+3Y))またはタングステン酸塩化合物(A(X+3Y));
(b)式A(Mo(1−Z)(X+3Y)、(式中、XおよびYは、各々独立に1〜5の整数から選択され、0<Z<1であり、Aは、Mg、Zn、Ni、Co、Fe、Mn、Cu、Ca、Sr、Ba、およびPbの1以上である)を有する1以上の化合物;
(c)モリブデン酸塩およびタングステン酸塩化合物からなる群から選択される2以上の化合物の複合混合物、例えば少なくとも1つのモリブデン酸塩化合物および少なくとも1つのタングステン酸塩化合物の複合混合物など;
(d)1以上のセラミック電解質材料と1以上の(a)〜(c)の複合混合物;
(e)(a)〜(d)の1以上を含むセラミック相、および金属相(例えば、銀、金、白金、パラジウム、ロジウム、ルテニウム、イリジウムまたはそれらの合金もしくは混合物)で作製される複合材料;あるいは
(f)(a)〜(e)の2以上の混合物。
上記実施形態の一部では、1以上の添加剤またはその他の材料が製造中に活性電極組成物に添加されてよいが、その他の実施形態では、そのような添加剤は含められない。
Active electrodes containing at least one molybdate or tungstate compound may have a variety of specific compositions, including, for example:
(A) for example, more than 30%, more than 50%, 80% or 90% molybdate or tungstate compound molybdate compounds including an active electrode containing the (by volume) (A X Mo Y O (X + 3Y)) or tungstate compound (A X W Y O (X + 3Y));
(B) Formula A X (Mo (1-Z ) W Z) Y O (X + 3Y), ( wherein, X and Y are each independently selected from an integer of 1 to 5, be 0 <Z <1 , A is one or more of Mg, Zn, Ni, Co, Fe, Mn, Cu, Ca, Sr, Ba, and Pb);
(C) A composite mixture of two or more compounds selected from the group consisting of molybdate and tungstate compounds, such as a composite mixture of at least one molybdate compound and at least one tungstate compound;
(D) A composite mixture of one or more ceramic electrolyte materials and one or more (a) to (c);
(E) A composite material made of a ceramic phase containing one or more of (a) to (d) and a metal phase (eg, silver, gold, platinum, palladium, rhodium, ruthenium, iridium or an alloy or mixture thereof). Or a mixture of two or more of (f) (a)-(e).
In some of the above embodiments, one or more additives or other materials may be added to the active electrode composition during production, but in other embodiments such additives are not included.

上記のモリブデン酸塩およびタングステン酸塩化合物、ならびにモリブデン酸塩およびタングステン酸塩化合物の上記の固溶体は、1以上の金属でドープされてよい。その上、または代わりに、1以上の酸化物、例えば酸化マンガン、酸化鉄、酸化コバルト、酸化バナジウム、酸化クロム、酸化錫、酸化ニオブ、酸化タンタル、酸化ルテニウム、酸化インジウム、酸化チタン、および酸化ジルコニウムなどが添加されてよい。用いる場合、これらの酸化物添加剤は、活性電極層中約0.1〜10体積%の間、または活性電極層中約1〜3体積%の間の量で存在してよい。 The molybdate and tungstate compounds and the solid solution of the molybdate and tungstate compounds may be doped with one or more metals. On top of that, or instead, one or more oxides such as manganese oxide, iron oxide, cobalt oxide, vanadium oxide, chromium oxide, tin oxide, niobium oxide, tantalum oxide, ruthenium oxide, indium oxide, titanium oxide, and zirconium oxide. Etc. may be added. When used, these oxide additives may be present in an amount between about 0.1-10% by volume in the active electrode layer or between about 1-3% by volume in the active electrode layer.

上記のように、一部の実施形態では1または複数の活性電極は、(a)モリブデン酸塩および/またはタングステン酸塩を含有するセラミック相(例えば、モリブデン酸塩、タングステン酸塩、モリブデン酸塩とタングステン酸塩の固溶体または複合混合物、あるいは前述の1以上と電解質の複合混合物);ならびに(b)金属相(Ag、Au、Pt、Pd、Rh、Ru、Ir、またはそれらの合金もしくは混合物):の多相複合材料を含む。そのような複合材料のタングステン酸塩/モリブデン酸塩セラミック相は、それ自体が2以上の相、例えば1以上のモリブデン酸塩および/またはタングステン酸塩化合物と電解質の複合混合物を含むことがあることに留意するべきである。 As mentioned above, in some embodiments, the one or more active electrodes are (a) a ceramic phase containing molybdate and / or molybdate (eg, molybdate, tungstate, molybdate). A solid solution or composite mixture of and molybdate, or a composite mixture of one or more of the above and an electrolyte); and (b) metal phases (Ag, Au, Pt, Pd, Rh, Ru, Ir, or alloys or mixtures thereof). : Includes polyphase composite material. The tungstate / molybdate ceramic phase of such composites may itself contain two or more phases, such as one or more molybdates and / or composite mixtures of tyrosine compounds and electrolytes. Should be noted.

上記の多相セラミック/金属複合材料に関して、金属相の量は、約0.1%〜10重量%または約30〜70体積%の範囲であり得る。低レベルの金属相(例えば、約0.1%〜10%、または約1%〜5重量%)を有する多相セラミック/金属複合材料では、Pt、Pd、Rh、Ru、またはIr(またはそれらの混合物の合金)が特に有用である。それよりも高いレベルの金属相(例えば、約30%〜70%、または約40%〜60体積%)には、Ag、Au、Pt、Pd、Rh、Ru、またはIr(またはそれらの合金もしくは混合物)を、導電率を改善するために(感度が幾らか犠牲になることがあるが)使用してよい。 For the polyphase ceramic / metal composites described above, the amount of metal phase can range from about 0.1% to 10% by weight or from about 30 to 70% by volume. For polyphase ceramic / metal composites with low levels of metal phases (eg, about 0.1% to 10%, or about 1% to 5 % by weight), Pt, Pd, Rh, Ru, or Ir (or them). (Alloys of mixtures of) are particularly useful. Higher levels of metal phases (eg, about 30% to 70%, or about 40% to 60 % by volume ) include Ag, Au, Pt, Pd, Rh, Ru, or Ir (or alloys thereof) or The mixture) may be used to improve conductivity (although sensitivity may be sacrificed somewhat).

上記のように、一部の実施形態では、1または複数の活性電極は、(a)1以上のセラミック電解質材料(例えば、ガドリニウムをドープしたセリア、「GDC」、またはサマリウムをドープしたセリア、「SDC」);(b)1以上のモリブデン酸塩および/またはタングステン酸塩化合物;および、所望により、(c)金属相(例えば、銀、金、白金、パラジウム、ロジウム、ルテニウム、イリジウム、またはそれらの合金もしくは混合物)の複合混合物を含む。これらの実施形態では、活性電極(22)中の1または複数のセラミック電解質材料は、電解質膜(24)について下に記載される電解質のいずれか、または酸素イオンの伝導によって電気を伝導する別のセラミック電解質材料(すなわち電子伝導性ではなくイオン伝導性)であってよい。例として、活性電極での使用に適したセラミック電解質としては、
(a)Ca、Sr、Sc、Y、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、またはLaの1以上でドープした酸化セリウム;
(b)Ca、Mg、Sc、Y、またはCeの1以上でドープした酸化ジルコニウム;および
(c)Sr、Mg、Zn、Co、またはFeの1以上でドープした酸化ランタンガリウム
が挙げられる。
より具体的な実施形態では、活性電極で使用されるセラミック電解質は、Ca、Sr、Sc、Y、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、またはLaの1以上でドープした酸化セリウムを含む。例えば、GDCまたはSDCは、場合によってPtと組み合わせて金属相として用いられる。
As mentioned above, in some embodiments, the one or more active electrodes are (a) one or more ceramic electrolyte materials (eg, gadolinium-doped ceria, "GDC", or samarium-doped ceria, ". SDC "); (b) one or more molybdate and / or tungstate compounds; and optionally (c) metal phases (eg, silver, gold, platinum, palladium, rhodium, ruthenium, iridium, or them. Contains a composite mixture of (alloys or mixtures of). In these embodiments, the one or more ceramic electrolyte materials in the active electrode (22) are one of the electrolytes described below for the electrolyte membrane (24), or another that conducts electricity by conduction of oxygen ions. It may be a ceramic electrolyte material (ie, ionic conductivity rather than electron conductivity). As an example, as a ceramic electrolyte suitable for use in active electrodes,
(A) Cerium oxide doped with one or more of Ca, Sr, Sc, Y, Pr, Nd, Pm, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, or La;
Examples thereof include (b) zirconium oxide doped with one or more of Ca, Mg, Sc, Y, or Ce; and (c) lanthanum oxide gallium oxide doped with one or more of Sr, Mg, Zn, Co, or Fe.
In a more specific embodiment, the ceramic electrolytes used in the active electrode are Ca, Sr, Sc, Y, Pr, Nd, Pm, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, Alternatively, it contains cerium oxide doped with 1 or more of La. For example, GDC or SDC may be used as the metal phase in combination with Pt.

前段落に記載される複合混合物中のセラミック電解質および1以上のモリブデン酸塩/タングステン酸塩化合物の相対量は、とりわけ、適用の性質(例えば、分析物のガス流/試料および周囲環境)、センサおよび/またはセンサシステムの構成、所望の感度、1または複数の標的ガスの同一性などに応じて変化することがある。一部の実施形態では、1または複数のセラミック電解質と1または複数のモリブデン酸塩/タングステン酸塩化合物の活性電極中の体積比は、約1:9〜9:1の間である。その他の実施形態では、この比は約2.5:7.5〜7.5:2.5の間、または約4:6〜6:4の間である。さらにその他の実施形態では、この比は約1:1である。前述の体積比が、問題の活性電極層におけるセラミック電解質の全体積と、モリブデン酸塩およびタングステン酸塩化合物の全体積の比に基づくことは指摘されるべきである。前段落に記載される複合混合物に金属相が含まれる場合、金属相の性質および量は、以前に記載した様々な金属および量のいずれかであってよい。 The relative amounts of the ceramic electrolyte and one or more molybdate / tungstate compounds in the composite mixture described in the previous paragraph are, among other things, the nature of the application (eg, gas flow / sample and ambient environment of the analyte), sensors. And / or may vary depending on the configuration of the sensor system, desired sensitivity, identity of one or more target gases, and so on. In some embodiments, the volume ratio of one or more ceramic electrolytes to one or more molybdate / tungstate compounds in the active electrode is between about 1: 9 and 9: 1. In other embodiments, the ratio is between about 2.5: 7.5-7.5: 2.5, or between about 4: 6 and 6: 4. In yet other embodiments, this ratio is about 1: 1. It should be pointed out that the aforementioned volume ratio is based on the ratio of the total volume of the ceramic electrolyte to the total volume of the molybdate and tungstate compounds in the active electrode layer in question. If the composite mixture described in the preceding paragraph contains a metal phase, the nature and amount of the metal phase may be any of the various metals and amounts previously described.

SALを用いるなおさらなる実施形態では、活性電極材料は、既に参照により本明細書に組み込まれている出願人の以前のセンサの特許および公開特許出願に記載される材料のいずれであってもよい。活性電極材料は、電子伝導性またはイオン伝導性であり得る。一部の例では、活性電極材料は、集電体層が最適の信号強度を実現するために必要ないほど導電性が高くてもよいし、集電体層が最適の信号強度を実現するために必要であるほど導電性が最小または適度であってもよい。(信号強度は、バイアス電圧が印加される場合に生じる電流として定義される)。 In yet further embodiments using SAL, the active electrode material may be any of the materials described in the applicant's previous sensor patents and published patent applications already incorporated herein by reference. The active electrode material can be electronically conductive or ionic conductive. In some examples, the active electrode material may be so conductive that the current collector layer is not required to achieve optimum signal strength, and the current collector layer may provide optimum signal strength. The conductivity may be minimal or moderate enough to be necessary. (Signal strength is defined as the current that occurs when a bias voltage is applied).

さらなる例として、モリブデン酸塩またはタングステン酸塩化合物を含む上記の組成物の代わりとして、信号強度を増加させるためにSALと組み合わせて用いる適した活性電極材料としては、Ca、Sr、Ba、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、Mgまたはその混合物でドープしたランタニドマンガン酸塩ペロブスカイト材料;Ca、Sr、Ba、Mn、Co、Ni、Cu、Zn、Mgまたはその混合物でドープしたランタニドフェライトペロブスカイト材料;Ca、Sr、Ba、Mn、Fe、Ni、Cu、Zn、Mgまたはその混合物でドープしたランタニド輝コバルト鉱ペロブスカイト材料;Ca、Sr、Ba、Mn、Fe、Co、Cu、Zn、Mgまたはその混合物でドープしたランタニドニッケル酸塩ペロブスカイト材料;Ca、Sr、Ba、Mn、Fe、Co、Ni、またはその混合物でドープしたランタニド銅酸化物ペロブスカイト材料;セラミックと金属相の混合物(サーメット)を含む複合材料(ここでセラミック相は、セラミック電解質材料、例えば、ジルコニア系電解質材料、セリア系電解質材料、酸化ビスマス系電解質材料または酸化ランタンガリウム系電解質材料、またはその混合物であり、金属相は、Ag、Pt、Pd、Rh、Ru、Irまたはその合金もしくは混合物を含む);セラミックと金属相の混合物を含む複合材料(この際、セラミック相は酸化アルミニウム、酸化マグネシウム、または別の絶縁セラミック材料などの絶縁体であり、金属相はAg、Pt、Pd、Rh、Ru、Irまたはその合金もしくは混合物を含む);Ag、Pt、Pd、Rh、Ru、Irまたはその合金もしくは混合物を含む金属電極材料;あるいは上述の検知電極材料のいずれかの2以上を含む混合物が挙げられる。 As a further example, suitable active electrode materials used in combination with SAL to increase signal intensity as an alternative to the above compositions comprising molybdenate or tungstate compounds include Ca, Sr, Ba, Fe, Lantanide manganate perovskite material doped with Co, Ni, Cu, Zn, Mg or a mixture thereof; Lantanide ferrite perovskite material doped with Ca, Sr, Ba, Mn, Co, Ni, Cu, Zn, Mg or a mixture thereof; Lantanide bright cobalt ore perovskite material doped with Ca, Sr, Ba, Mn, Fe, Ni, Cu, Zn, Mg or a mixture thereof; Ca, Sr, Ba, Mn, Fe, Co, Cu, Zn, Mg or a mixture thereof. Lantanide Nikrate Perovskite Material Doped with; Lantanide Copper Oxide Perobskite Material Doped with Ca, Sr, Ba, Mn, Fe, Co, Ni, or a mixture thereof; Composite Material Containing a Mixture of Ceramic and Metal Phase (Cermet) (Here, the ceramic phase is a ceramic electrolyte material, for example, a zirconia-based electrolyte material, a ceria-based electrolyte material, a bismuth oxide-based electrolyte material or a lanthanum gallium oxide-based electrolyte material, or a mixture thereof, and the metal phase is Ag, Pt, Pd, Rh, Ru, Ir or alloys or mixtures thereof); composite materials containing a mixture of ceramic and metallic phases, where the ceramic phase is an insulator such as aluminum oxide, magnesium oxide, or another insulating ceramic material. Yes, the metal phase comprises Ag, Pt, Pd, Rh, Ru, Ir or an alloy or mixture thereof); a metal electrode material containing Ag, Pt, Pd, Rh, Ru, Ir or an alloy or mixture thereof; or described above. Examples thereof include a mixture containing any two or more of the detection electrode materials.

一部の実施形態では、集電体層は、1または複数個の電気化学セルの1または複数の活性電極層のために設けられ、所望により、1または複数の対電極層のために設けられる。集電体層は、活性電極層よりも導電性が高いので、信号強度が高くなるように活性電極の電気伝導率を増加させる。さらに、一部の実施形態では、集電体層は、1以上の目的のガス種(例えば、NO、NOまたはNH)に対する感度の低下または強化をもたらすように、下にある電極で生じる触媒および電気化学反応も操作する。 In some embodiments, the current collector layer is provided for one or more active electrode layers of one or more electrochemical cells and, optionally, for one or more counter electrode layers. .. Since the current collector layer has higher conductivity than the active electrode layer, the electric conductivity of the active electrode is increased so that the signal strength is high. Moreover, in some embodiments, the current collector layer occurs at the underlying electrodes to provide reduced or enhanced sensitivity to one or more gas species of interest (eg, NO, NO 2 or NH 3). It also manipulates catalysts and electrochemical reactions.

例えば、図1の電気化学セル(20)には、集電体層(36)が含まれる。活性電極層(22)は電解質膜(24)に隣接するが、集電体層(36)は活性電極層(22)の上方に位置する。集電体層(36)の導電率は活性電極層(22)よりも高い。この特定の実施形態では、集電体層は、活性電極層(22)の上面の少なくとも約90%を覆うという点で全体を覆う集電体として構成されている。代替実施形態、特に集電体が標的ガス種に対する感度を低下または強化させるために触媒および電気化学反応を操作するように構成されていない実施形態では、米国特許出願公開第2016/077044号にさらに記載されるように、活性電極の表面の約10〜25%を覆うように集電体を構成することができる。 For example, the electrochemical cell (20) in FIG. 1 includes a current collector layer (36). The active electrode layer (22) is adjacent to the electrolyte membrane (24), but the current collector layer (36) is located above the active electrode layer (22). The conductivity of the current collector layer (36) is higher than that of the active electrode layer (22). In this particular embodiment, the current collector layer is configured as an overall covering in that it covers at least about 90% of the top surface of the active electrode layer (22). Alternative embodiments, in particular those in which the current collector is not configured to manipulate the catalyst and electrochemical reaction to reduce or enhance sensitivity to the target gas species, are further described in US Patent Application Publication No. 2016/077044. As described, the current collector can be configured to cover about 10-25% of the surface of the active electrode.

集電体層の組成に関して、集電体が下にある電極で触媒および/または電気化学反応を操作するよりも単に活性電極の導電率を増加させるために用いられる場合は、集電体層は、貴金属、例えば白金、パラジウム、金、銀、または任意のその他の貴金属など、2以上の貴金属の合金、1以上の貴金属と1以上の卑金属の合金、または貴金属とセラミック電解質材料のサーメットを含み得る。 With respect to the composition of the current collector layer, if the current collector is used to simply increase the conductivity of the active electrode rather than manipulating the catalyst and / or electrochemical reaction at the underlying electrode, the current collector layer , Such as platinum, palladium, gold, silver, or any other precious metal, may include alloys of two or more precious metals, alloys of one or more precious metals and one or more base metals, or cermets of precious metals and ceramic electrolyte materials. ..

あるいは、集電体層は、金属(例えば、白金または金)とセラミック相、例えばGDC、SDC、ジルコニウムをドープしたセリア(「ZDC」)、イットリウム安定化ジルコニア(「YSZ」)、スカンジウム安定化ジルコニア(「ScSZ」)、または活性電極での使用に適しているとして言及されるその他のセラミック電解質の1つなど、を含むサーメットを含み得る。そのようなサーメット集電体層の金属含有量は、集電体層の導電率を下にある電極層の導電率よりも高くするために十分でなければならない。本明細書においてさらに考察されるように、そのようなサーメット集電体は、センサの1または複数個の電気化学セルの触媒および/または電気化学反応を操作するために(例えば、1以上の目的のガス種に対する感度を低下または強化させるために)使用することができる。 Alternatively, the current collector layer may be a metal (eg, platinum or gold) and ceramic phase, such as GDC, SDC, zirconium-doped ceria (“ZDC”), yttria-stabilized zirconia (“YSZ”), scandium-stabilized zirconia. Cermets may include (“ScSZ”), or one of the other ceramic electrolytes referred to as suitable for use in active electrodes. The metal content of such a cermet current collector layer must be sufficient to make the conductivity of the current collector layer higher than that of the underlying electrode layer. As further discussed herein, such cermet current collectors are used to manipulate the catalyst and / or electrochemical reaction of one or more electrochemical cells of a sensor (eg, for one or more purposes). Can be used to reduce or enhance the sensitivity of the gas species.

例えば、一部の実施形態では、1または複数のサーメット集電体は、NOおよびNHに関して付加的挙動をもたらすために白金およびセラミック電解質(例えば、ScSz)を含むのに対し、金およびセラミック電解質(例えば、GDC)を含む1または複数のサーメット集電体は、NHの存在下でNOに関して選択的挙動をもたらす。サーメット集電体、特に電気化学セルの応答を操作するために使用されるサーメット集電体の例では、集電体は、約40〜80体積%、または約50〜70体積%の金属相(例えば、PtまたはAu)を含み、残りはセラミック電解質相(例えば、GDCまたはScSz)であり得る。 For example, in some embodiments, one or more cermet current collectors contain platinum and a ceramic electrolyte (eg, ScSz) to provide additional behavior with respect to NO X and NH 3, whereas gold and ceramic. One or more cermet current collectors containing an electrolyte (eg, GDC) will result in selective behavior with respect to NO X in the presence of NH 3. In the example of a cermet current collector, especially a cermet current collector used to manipulate the response of an electrochemical cell, the current collector is about 40-80% by volume, or about 50-70% by volume metal phase ( For example, it may contain Pt or Au) and the rest may be a ceramic electrolyte phase (eg, GDC or ScSz).

本明細書に記載されるセンサの電気化学セルの対電極は、一部分、1または複数個の電気化学セルの構成に応じて、多様な材料のいずれかを含むことができる。例えば、対電極は、集電体に関して上に記載される組成のいずれか、例えば白金または金などの金属材料、または金属(例えば、白金または金)とセラミック相(GDC、SDC、ZDC、YSZまたはScSZ)を含む導電性サーメットを含むことができる。対電極は、活性電極について上で同定された材料のいずれかであってもよい。本明細書に記載されるセンサの対電極に適したその他の材料としては、
(a)Ag、Au、Pt、Pd、Rh、Ru、またはIrを含む金属、あるいは前述のいずれかの合金、混合物またはサーメット(例えば、1以上のこれらの金属、特にPt、およびYSZ、ScSZ、GDCまたはSDCを含むサーメット);および
(b)センサの製造に適した様々なその他の導電性材料、特に、酸素イオンの分子酸素への再酸化を触媒する材料(例えば、導電性ペロブスカイト、例えば(La,Sr)MnO、(La,Sr)CoO、(La,Sr)(Co,Fe)O、La(Ni,Fe)O、La(Ni,Co)O、および関連ペロブスカイトなど、およびブラウンミラライト型構造の材料が含まれる)が挙げられる。
The counter electrode of the electrochemical cell of the sensor described herein can include any of a variety of materials, depending on the configuration of the electrochemical cell in part or more. For example, the counter electrode may be any of the compositions described above for the current collector, such as a metal material such as platinum or gold, or a metal (eg platinum or gold) and a ceramic phase (GDC, SDC, ZDC, YSZ or Conductive cermets containing ScSZ) can be included. The counter electrode may be any of the materials identified above for the active electrode. Other materials suitable for the counter electrode of the sensor described herein include:
(A) Metals containing Ag, Au, Pt, Pd, Rh, Ru, or Ir, or any of the alloys, mixtures or cermets described above (eg, one or more of these metals, especially Pt, and YSZ, ScSZ, Cermet containing GDC or SDC); and (b) Various other conductive materials suitable for the manufacture of sensors, in particular materials that catalyze the reoxidation of oxygen ions to molecular oxygen (eg, conductive perovskite, eg, (eg,). La, Sr) MnO 3 , (La, Sr) CoO 3 , (La, Sr) (Co, Fe) O 3 , La (Ni, Fe) O 3 , La (Ni, Co) O 3 , and related perovskite, etc. , And materials with a brown miralite type structure).

SALを用いるなおさらなる実施形態では、対電極材料は、既に参照により本明細書に組み込まれている出願人の以前のセンサの特許および公開特許出願に記載される材料のいずれであってもよい。例えば、米国特許第8,974,657号に記載されるように、信号強度を増強するためにSALと組み合わせて使用するのに適した対電極材料としては、Ca、Sr、Ba、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、Mgまたはその混合物でドープしたランタニドマンガン酸塩ペロブスカイト材料;Ca、Sr、Ba、Mn、Co、Ni、Cu、Zn、Mgまたはその混合物でドープしたランタニドフェライトペロブスカイト材料;Ca、Sr、Ba、Mn、Fe、Ni、Cu、Zn、Mgまたはその混合物でドープしたランタニド輝コバルト鉱ペロブスカイト材料;Ca、Sr、Ba、Mn、Fe、Co、Cu、Zn、Mgまたはその混合物でドープしたランタニドニッケル酸塩ペロブスカイト材料;Ca、Sr、Ba、Mn、Fe、Co、Ni、またはその混合物でドープしたランタニド銅酸化物ペロブスカイト材料;あるいはNi、Fe、Cu、Ag、Au、Pd、Pt、Rh、またはIrを含む金属材料、あるいはその合金、混合物またはサーメットが挙げられる。 In yet further embodiments using SAL, the counter electrode material may be any of the materials described in the applicant's previous sensor patents and published patent applications already incorporated herein by reference. For example, as described in US Pat. No. 8,974,657, counterelectrode materials suitable for use in combination with SAL to enhance signal strength include Ca, Sr, Ba, Fe, Co. Lantanide manganate perovskite material doped with Ni, Cu, Zn, Mg or a mixture thereof; Lantanide ferrite perovskite material doped with Ca, Sr, Ba, Mn, Co, Ni, Cu, Zn, Mg or a mixture thereof; Ca Lantanide bright cobalt ore perovskite material doped with Sr, Ba, Mn, Fe, Ni, Cu, Zn, Mg or a mixture thereof; Ca, Sr, Ba, Mn, Fe, Co, Cu, Zn, Mg or a mixture thereof. Dope lanthanide nickate perovskite material; lanthanide copper oxide perovskite material doped with Ca, Sr, Ba, Mn, Fe, Co, Ni, or a mixture thereof; or Ni, Fe, Cu, Ag, Au, Pd, Pt , Rh, or a metal material containing Ir, or an alloy, mixture or cermet thereof.

大部分の例において、個々の電気化学セルの活性電極および対電極が異なる組成を有すること、ならびに/あるいは、そのそれぞれの集電体層が異なる組成を有することは理解されるであろう。例えば、一部の実施形態では、活性電極層および対電極層は同一である、しかし、そのそれぞれの集電体層は異なる組成を有する。個々の電気化学セル(call)の集電体層は、セルの触媒および/または電気化学反応を操作するために選択することができるので、一部の例では電気化学セルの各「電極」は、活性(または「機能」)電極層と集電層(存在する場合)の組合せであると考えることができる。例えば、センサの1つの電気化学セルは、各々が活性(または「機能」)層および集電層を有する、第1および第2の2層電極を含むことができ、第1の電極の層の少なくとも1つの組成は第2の電極の対応する層とは異なる。従って、第1および第2の電極は、検出するガス種に対するその触媒および/または電子触媒応答に関して異なっている。 It will be appreciated that in most examples, the active and counter electrodes of the individual electrochemical cells have different compositions, and / or their respective current collector layers have different compositions. For example, in some embodiments, the active electrode layer and the counter electrode layer are the same, but their respective current collector layers have different compositions. In some examples, each "electrode" of an electrochemical cell is such that the collector layer of an individual electrochemical cell (all) can be selected to manipulate the catalytic and / or electrochemical reaction of the cell. Can be thought of as a combination of an active (or "functional") electrode layer and a current collector layer (if present). For example, one electrochemical cell of a sensor can include first and second two-layer electrodes, each having an active (or "functional") layer and a current collecting layer, of the first electrode layer. The composition of at least one is different from the corresponding layer of the second electrode. Therefore, the first and second electrodes differ in their catalytic and / or electron-catalyzed response to the gas species to be detected.

代替実施形態では、第1の電極は、活性電極層と上にある集電層の組合せであるか、活性電極層のみであるか、または集電層のみ(すなわち伝統的な対電極)であり、第2の電極は、異なる組合せの活性電極層および/または集電層である。 In an alternative embodiment, the first electrode is a combination of an active electrode layer and an upper current collector layer, only an active electrode layer, or only a current collector layer (ie, a traditional counter electrode). The second electrode is a different combination of active electrode layer and / or current collector layer.

本明細書に記載されるセンサで使用される電気化学セルのイオン伝導電解質膜に関して、適した材料としては、ドープセリア電解質およびドープジルコニア電解質が挙げられる。より具体的な例としては、ガドリニウムをドープしたセリア(Ce1−XGd2−X/2、式中、Xは約0.05〜0.40の範囲である)、サマリウムをドープしたセリア(Ce1−XSm2−X/2、式中、Xは約0.05〜0.40の範囲である)、イットリウムをドープしたセリア(YDC)、その他のランタニド元素でドープした酸化セリウム、および2以上のランタニド元素または希土類元素でドープした酸化セリウムが挙げられる。さらにその他の適した電解質材料としては、全部または一部分ドープされた酸化ジルコニウム(限定されるものではないが、イットリウム安定化ジルコニア(YSZ)およびスカンジウムドープジルコニア(ScSZ)を含む);主に酸素イオンの輸送によって電気を伝導するその他のセラミック材料;混合伝導性セラミック電解質材料;ならびに前述の2以上の混合物が挙げられる。その上、GDC、SDCまたは別の適した電解質材料の界面層を電解質膜と、活性電極および対電極の一方もしくは両方との間に設けてよい。特に適した電解質材料としては、GDC、SDC、YSZおよびScSZが挙げられる。 Suitable materials for the ionic conduction electrolyte membrane of the electrochemical cells used in the sensors described herein include dope ceria electrolytes and dope zirconia electrolytes. More specific examples include gadolinium-doped ceria (Ce 1-X Gd X O 2-X / 2 , where X is in the range of about 0.05-0.40), samarium-doped. Cerium (Ce 1-X Sm X O 2-X / 2 , in the formula, X ranges from about 0.05 to 0.40), yttrium-doped ceria (YDC), and other lanthanide-doped elements. Examples include cerium oxide and cerium oxide doped with two or more lanthanide or rare earth elements. Yet other suitable electrolyte materials include fully or partially doped zirconium oxide (including, but not limited to, yttria-stabilized zirconia (YSZ) and scandium-doped zirconia (ScSZ)); predominantly of oxygen ions. Other ceramic materials that conduct electricity by transport; mixed conductive ceramic electrolyte materials; as well as the two or more mixtures mentioned above. Moreover, an interface layer of GDC, SDC or another suitable electrolyte material may be provided between the electrolyte membrane and one or both of the active electrode and the counter electrode. Particularly suitable electrolyte materials include GDC, SDC, YSZ and ScSZ.

さらに別の代替形態として、セラミック電解質材料は、βアルミナ、リン酸ジルコニウムナトリウム、ケイ酸リチウム、ケイ酸リチウムアルミニウム、または任意のアルカリイオン伝導性電解質材料であり得る。 In yet another alternative form, the ceramic electrolyte material can be β-alumina, sodium zirconium phosphate, lithium silicate, lithium aluminum silicate, or any alkali ion conductive electrolyte material.

既に述べたように、本明細書に記載されるセンサおよびセンサシステムの一部の実施形態は、通常、少なくとも2個の電気化学セルを含み、この際、第1のセルは、目的の2以上の標的ガス種(例えば、NOおよびとNH)に関して付加的応答をもたらすように構成され(または動作し)、第2のセルは、標的ガス種の2番目のガス種ではなく標的ガス種の最初のガス種に関して選択的応答をもたらすように構成される(または動作する)。例えば、上記の活性電極材料を使用する、NOとNHの検知に関して、センサは、異なる活性電極を有する2個の電気化学セル、つまりNOとNHの両方に対して高感度であるセルと、NOだけに高感度であるセル(NHに対する感度はほとんどまたは全くない)で組み立てることができる。NOとNHの総濃度は、第1の電気化学セルにバイアスを印加する際に電流を測定することによって定量化することができ、NO濃度は、第2の電気化学セルにバイアスを印加する際に電流を測定することによって定量化することができ、NH濃度は、引き算によって計算することができる(NOとNHの総濃度−NO濃度)。従って、NOとNHの両方を1つのセンサで測定することができる。これらの2個の電気化学セルは、1つの構造に(例えば、共通の電解質層、共通のSAL、共通の基板および、所望により共通の対電極を有して)物理的に統合することができる、または、2個の物理的に分離した電気化学セルを作製してもよい。 As already mentioned, some embodiments of the sensors and sensor systems described herein typically include at least two electrochemical cells, wherein the first cell is at least two of the objects of interest. The second cell is configured (or operates) to provide an additional response with respect to the target gas species (eg, NO X and and NH 3 ), and the second cell is the target gas species rather than the second gas species of the target gas species. It is configured (or works) to provide a selective response with respect to the first gas species in the. For example, with respect to the detection of NO X and NH 3 using the active electrode material described above, the sensor is sensitive to two electrochemical cells with different active electrodes, i.e. both NO X and NH 3. It can be assembled with cells and cells that are sensitive only to NO X (with little or no sensitivity to NH 3). The total concentration of NO X and NH 3 can be quantified by measuring the current when biasing the first electrochemical cell, and the NO X concentration biases the second electrochemical cell. It can be quantified by measuring the current at the time of application and the NH 3 concentration can be calculated by subtraction (total concentration of NO X and NH 3 −NO X concentration). Therefore, both NO X and NH 3 can be measured with one sensor. These two electrochemical cells can be physically integrated into one structure (eg, with a common electrolyte layer, a common SAL, a common substrate, and optionally a common counter electrode). , Or two physically separated electrochemical cells may be made.

さらに別の代替形態として、センサは、一方のセルがNOとNHの両方に対して高感度であり、他方のセルがNOだけに高感度であるように、異なる集電体材料および同じまたは異なる活性電極材料を有する2個の電気化学セルで組み立てることができる。NOとNHの総濃度は、第1の電気化学セルにバイアスを印加する際に電流を測定することによって定量化することができ、NO濃度は、第2の電気化学セルにバイアスを印加する際に電流を測定することによって定量化することができ、NH濃度は、引き算によって計算することができる。従って、NOとNHの両方を1つのセンサで測定することができる。既に述べたように、これらの2個の電気化学セルは、1つの構造に物理的に統合することができる、または、2個の物理的に分離した電気化学セルを用いてもよい。 As yet another alternative, the sensor is made of different current collector materials and so that one cell is sensitive to both NO X and NH 3 and the other cell is sensitive only to NO X. It can be assembled in two electrochemical cells with the same or different active electrode materials. The total concentration of NO X and NH 3 can be quantified by measuring the current when biasing the first electrochemical cell, and the NO X concentration biases the second electrochemical cell. can be quantified by measuring the current in applying, NH 3 concentration can be calculated by subtraction. Therefore, both NO X and NH 3 can be measured with one sensor. As already mentioned, these two electrochemical cells can be physically integrated into one structure, or two physically separated electrochemical cells may be used.

さらに別の代替形態は、同じまたは類似の組成の関連する集電体を含むまたは含まない、同じまたは類似の組成の活性電極を有する2個の電気化学セルで組み立てられたセンサであり、このセンサは、一方の電気化学セルに印加される順バイアス(すなわち活性電極から対電極)で動作してNOとNHの合計を検出および定量することができ、さらに、第2の電気化学セルに印加される逆バイアス(すなわち対電極から活性電極)で動作してNOかまたはNHのいずれかを検出および定量することができる(他方の濃度は引き算によって計算される)。従って、NOとNHの両方を1つのセンサで測定することができる。既に述べたように、これらの2個の電気化学セルは、1つの構造に物理的に統合することができる、または、2個の物理的に分離した電気化学セルを用いてもよい。同様に、一部の実施形態では1つの電気化学セルは、順バイアスおよび逆バイアスで(例えば、2つを交互に行って)動作し、この際、応答特性は2つのバイアスモードで異なる(例えば、1つのバイアス方向で付加的、他方で選択的である)。 Yet another alternative is a sensor assembled with two electrochemical cells having active electrodes of the same or similar composition, including or not containing related current collectors of the same or similar composition. Can operate with a forward bias applied to one electrochemical cell (ie, from the active electrode to the counter electrode) to detect and quantify the sum of NO X and NH 3 , and further to the second electrochemical cell. Either NO X or NH 3 can be detected and quantified by operating with the applied reverse bias (ie, counter electrode to active electrode) (the concentration of the other is calculated by subtraction). Therefore, both NO X and NH 3 can be measured with one sensor. As already mentioned, these two electrochemical cells can be physically integrated into one structure, or two physically separated electrochemical cells may be used. Similarly, in some embodiments, one electrochemical cell operates with forward and reverse biases (eg, alternating the two), with different response characteristics in the two bias modes (eg, alternating). (Additional in one bias direction, selective in the other).

別の代替実施形態では、センサは、同じまたは類似の組成の関連する集電体を含むまたは含まない、同じまたは異なる組成の活性電極を各々が有する2個の電気化学セルで組み立てることができ、このセンサは、一方のセルが順バイアス(すなわち活性電極から対電極)で動作して総NOを検出および定量し、第2のセルが逆バイアス(すなわち対電極から活性電極)で動作してNHを検出および定量するように動作することができる。この例では、一方のセルはNOに対して選択的であり、他方のセルはNHに対して選択的である。従って、NOとNHの両方を1つのセンサで測定することができる。既に述べたように、これらの2個の電気化学セルは、1つの構造に物理的に統合することができる、または、2個の物理的に分離した電気化学セルを用いてもよい。 In another alternative embodiment, the sensor can be assembled with two electrochemical cells, each having an active electrode of the same or different composition, with or without associated collectors of the same or similar composition. the sensor may operate in one cell is forward biased (i.e. the counter electrode from the active electrode) operating in detecting and quantifying total NO X, (active electrode from i.e. the counter electrode) the second cell is reverse biased It can act to detect and quantify NH 3. In this example, one cell is selective for NO X and the other cell is selective for NH 3. Therefore, both NO X and NH 3 can be measured with one sensor. As already mentioned, these two electrochemical cells can be physically integrated into one structure, or two physically separated electrochemical cells may be used.

既に述べたように、特定の集電体層は、1以上の目的のガス種(例えば、NO、NOまたはNH)に対する感度の低下または強化を電気化学セルで達成するように、センサで生じる触媒および電気化学反応を操作するのに適合している。これは、全体を覆う(90%以上)集電体が少なくとも活性電極層の上にある、1または複数個の電気化学セルに表面電極配置が用いられる場合に特に有用である。しかし、2以上の電気化学セルを有するそのような実施形態では、共通の基板および、一部の例では、共通の電解質層および/または共通の対電極層を共有するようにセルを構成することができる。図4A〜Hは、そのようなセンサ配置を表す。しかし、図4A〜Hに示される配置は、活性電極の材料だけが電気化学セルの挙動を制御する実施形態にも使用されることができることが理解されるであろう。これらの例では、集電体層は省略することができる(活性電極層が十分に導電性である場合)、あるいは集電体層は全体を覆わない集電体(例えば、格子またはメッシュ)として構成することができる。バイアス源および電流測定装置が図4A〜Hに含まれていないことに留意されたい。 As already mentioned, certain current collector layers are sensored to achieve reduced or enhanced sensitivity to one or more gas types of interest (eg, NO, NO 2 or NH 3) in the electrochemical cell. Suitable for manipulating the resulting catalysts and electrochemical reactions. This is particularly useful when surface electrode arrangements are used for one or more electrochemical cells with an overwhelming (90% or more) current collector at least above the active electrode layer. However, in such an embodiment having two or more electrochemical cells, the cells are configured to share a common substrate and, in some cases, a common electrolyte layer and / or a common counter electrode layer. Can be done. 4A-H represent such sensor arrangements. However, it will be appreciated that the arrangements shown in FIGS. 4A-H can also be used in embodiments where only the active electrode material controls the behavior of the electrochemical cell. In these examples, the current collector layer can be omitted (if the active electrode layer is sufficiently conductive), or the current collector layer can be as a non-covering current collector (eg, grid or mesh). Can be configured. Note that the bias source and current measuring device are not included in FIGS. 4A-H.

図4Aおよび4Bに示される例では、2個の電気化学セルを備えるセンサは、適切な絶縁基板(428)の上に必要な層:1つの共通するSAL(427);
SALの上に積層される1つの共通する電解質層(424);電解質層表面の一部に積層される第1の活性電極層(422A);電解質層表面の異なる部分に積層される第2の活性電極層(422B);第1および第2の電極層に非常に近接している(例えば、第1および第2の活性電極層の間の)電解質層の異なる部分に積層され、従って2個の電気化学セルの境界を定める1つの共通する対電極層(426);第1の活性電極層に積層される第1の集電体層(436A);および第2の活性電極層に積層される第2の集電体層(436B)を順次積層することによって作製される。
In the example shown in FIGS. 4A and 4B, the sensor with two electrochemical cells is the required layer on a suitable insulating substrate (428): one common SAL (427);
One common electrolyte layer (424) laminated on SAL; first active electrode layer (422A) laminated on a part of the electrolyte layer surface; second laminated on different parts of the electrolyte layer surface Active electrode layer (422B); laminated on different parts of the electrolyte layer (eg, between the first and second active electrode layers) in close proximity to the first and second electrode layers, and thus two. One common counter electrode layer (426) that defines the boundaries of the electrochemical cells of the above; a first current collector layer (436A) laminated on the first active electrode layer; and laminated on the second active electrode layer. It is produced by sequentially laminating a second current collector layer (436B).

図4Cおよび4Dに示される例では、2個の電気化学セルを備えるセンサは、適切な絶縁基板(428)の上に必要な層:絶縁基板の1つの領域の上に積層される第1のSAL(427A);絶縁基板の第2の領域の上に積層される第2のSAL(427B);第1のSAL(427A)の上に積層される第1の電解質層(424A);第2のSAL(427B)の上に積層される第2の電解質層(424B);第1の電解質層の一部分の上に積層される第1の活性電極層(422A);第2の電解質層の一部分の上に積層される第2の活性電極層(422B);第1および第2の電解質層の両方(および第1および第2の電解質層の間の絶縁基板の領域)の上に、第1のおよび第2の電極層に非常に近接して、第1のおよび第2の電極層の間に積層される(従って2個の電気化学セルの境界を定める)1つの共通する対電極層(426);第1の活性電極層の上に積層される第1の集電体層(436A);および第2の活性電極層の上に積層される第2の集電体層(436B)を順次積層することによって作製される。 In the example shown in FIGS. 4C and 4D, the sensor with two electrochemical cells is a first layer laminated on one region of the required layer: insulating substrate on a suitable insulating substrate (428). SAL (427A); second SAL (427B) laminated on the second region of the insulating substrate; first electrolyte layer (424A) laminated on the first SAL (427A); second Second electrolyte layer (424B) laminated on SAL (427B); first active electrode layer (422A) laminated on a portion of the first electrolyte layer; portion of the second electrolyte layer. A first active electrode layer (422B) laminated on top of both the first and second electrolyte layers (and the area of the insulating substrate between the first and second electrolyte layers). One common counter electrode layer (thus demarcating two electrochemical cells) laminated between the first and second electrode layers, very close to the and second electrode layers. 426); The first current collector layer (436A) laminated on the first active electrode layer; and the second current collector layer (436B) laminated on the second active electrode layer. It is produced by sequentially laminating.

図4Eおよび4Fに示される例では、2個の電気化学セルを備えるセンサは、適切な絶縁基板(428)の上に必要な層:絶縁基板の1つの領域の上に積層される第1のSAL(427A);絶縁基板の第2の領域の上に積層される第2のSAL(427B);第1のSAL(427A)の上に積層される第1の電解質層(424A);第2のSAL(427B)の上に積層される第2の電解質層(424B);第1の電解質層の一部分の上に積層される第1の活性電極層(422A);第2の電解質層の一部分の上に積層される第2の活性電極層(422B);第1の電極層に非常に近接している第1の電解質層の上に積層される(従って第1の電気化学セルの境界を定める)第1の対電極層(426A);第2の電極層に非常に近接している第2の電解質層の上に積層される(従って第2の電気化学セルの境界を定める)第2の対電極層(426B);第1の活性電極層の上に積層される第1の集電体層(426A);および第2の活性電極層の上に積層される第2の集電体層(436B)を順次積層することによって作製される。 In the example shown in FIGS. 4E and 4F, the sensor with two electrochemical cells is a first layer laminated on one region of the required layer: insulating substrate on a suitable insulating substrate (428). SAL (427A); second SAL (427B) laminated on the second region of the insulating substrate; first electrolyte layer (424A) laminated on the first SAL (427A); second Second electrolyte layer (424B) laminated on SAL (427B); first active electrode layer (422A) laminated on a portion of the first electrolyte layer; portion of the second electrolyte layer. Second active electrode layer (422B) laminated on top of; laminated on top of a first electrolyte layer very close to the first electrode layer (thus demarcating the boundaries of the first electrochemical cell). 1st counter electrode layer (426A); a second layered on top of a second electrolyte layer very close to the second electrode layer (thus defining the boundaries of the second electrochemical cell). Counter electrode layer (426B); first current collector layer (426A) laminated on the first active electrode layer; and second current collector laminated on the second active electrode layer. It is produced by sequentially laminating layers (436B).

図4Gおよび4Hに示される例は、図4Cおよび4Dの例に類似している。
しかし、図4Gおよび4Hの実施形態では、活性電極および対電極は相互嵌合している、それにより、表面電極の実効面積を増加させる一方で電極間の隙間を最小にする。
The examples shown in FIGS. 4G and 4H are similar to the examples in FIGS. 4C and 4D.
However, in the embodiments of FIGS. 4G and 4H, the active and counter electrodes are interconnected, thereby increasing the effective area of the surface electrodes while minimizing the gaps between the electrodes.

図5〜11はさらなるセンサ実施形態(縮尺通りではない)を示し、1個のセンス素子(すなわち1個の電気化学セル)のこれらの例では、その各々がSAL(527、627、727、827、927、1027、1127)を含む。図5および6では、SAL(527、627)は、電解質膜(524、624)と基板(528、628)の間に完全に封入されている。図7〜11では、SAL(727、827、927、1027、1127)は、電解質層(724、824、924、1024、1124)と基板(728、828、928、1028、1128)との間に完全に封入されていない。代わりに、SALは単に電解質層と基板との間に位置しており、SALの一部は露出している。図5および6のセンサにおいてSALはこの同じ方法で構成されることができ、図7〜11のセンサにおいてSALはその代わりに、図5および6の場合のように完全に封入されることができることが理解されるであろう。 Figures 5-11 show additional sensor embodiments (not on scale), in these examples of one sense element (ie, one electrochemical cell), each of which is a SAL (527, 627, 727, 827). , 927, 1027, 1127). In FIGS. 5 and 6, the SAL (527,627) is completely encapsulated between the electrolyte membrane (524,624) and the substrate (528,628). In FIGS. 7-11, the SAL (727, 827, 927, 1027, 1127) is located between the electrolyte layer (724, 824, 924, 1024, 1124) and the substrate (728, 828, 928, 1028, 1128). Not completely enclosed. Instead, the SAL is simply located between the electrolyte layer and the substrate, and part of the SAL is exposed. In the sensors of FIGS. 5 and 6, the SAL can be configured in this same way, and in the sensors of FIGS. 7-11 the SAL can instead be fully encapsulated as in the case of FIGS. 5 and 6. Will be understood.

図5では、センス素子は、絶縁基板(528)、導電性信号増幅層(527)、多孔質または高密度であり得るセラミック電解質層(524)、活性電極層(522)、対電極層(526)、および活性電極層および対電極層の上面の少なくとも約90%をそれぞれ覆う集電体層(536、537)を含む。活性電極層および対電極層(522、526)は、同じまたは異なる組成であり得る。同様に、集電体層(536、537)は、同じまたは異なる組成であり得る。一般に、図5〜8の実施形態の活性電極層および対電極層が同じ組成である場合、集電体層は異なる組成である(すなわち互いに異なっているか、または集電体層の1つが省かれている)。同様に、集電体層が同じ組成である場合、活性電極層および対電極層は異なる組成である(すなわち互いに異なっている)。図5で示されるように、バイアス電圧は2つの集電体層の間に印加され、結果として集電層の間に生じる電流を測定する。 In FIG. 5, the sense element is an insulating substrate (528), a conductive signal amplification layer (527), a ceramic electrolyte layer (524) that can be porous or dense, an active electrode layer (522), and a counter electrode layer (526). ), And a current collector layer (536, 537) covering at least about 90% of the upper surfaces of the active electrode layer and the counter electrode layer, respectively. The active electrode layer and the counter electrode layer (522, 526) can have the same or different compositions. Similarly, the current collector layer (536, 537) can have the same or different composition. In general, when the active electrode layer and the counter electrode layer of the embodiments of FIGS. 5 to 8 have the same composition, the current collector layers have different compositions (that is, they are different from each other or one of the current collector layers is omitted. ing). Similarly, when the current collector layers have the same composition, the active electrode layer and the counter electrode layer have different compositions (that is, they are different from each other). As shown in FIG. 5, the bias voltage is applied between the two current collector layers and the resulting current between the current collector layers is measured.

図6では、センス素子は、絶縁基板(628)、導電性信号増幅層(627)、多孔質または高密度であり得るセラミック電解質層(624)、1つの活性電極層(622)、および1つの活性電極層(622)の上に間隔を置いた関係で位置する2つの集電体層(636、637)を含む。2つの集電体層(636、637)は異なる組成である。例えば、一実施形態では、第1の集電体層(636)は、Auとセラミック相(GDC、SDC、ジルコニウムをドープしたセリア(ZDC)、イットリウム安定化ジルコニア(YSZ)、スカンジウム安定化ジルコニア(ScSZ)、または活性電極での使用に適していると言及したその他のセラミック電解質の1つ)のサーメットを含み、第2の集電体層(637)は、Ptとセラミック相(GDC、SDC、ジルコニウムをドープしたセリア(ZDC)、イットリウム安定化ジルコニア(YSZ)、スカンジウム安定化ジルコニア(ScSZ)、または活性電極での使用に適していると言及したその他のセラミック電解質の1つ)のサーメットを含む。具体例として、一方の集電体はAu/GDCを含み、他方はPt/ScSzを含む。図6に示される構成では、集電体層(636、637)の一方と、その下の活性電極層(622)の一部は、ともに活性電極を提供し、他方の集電体層と、その下の活性電極層(622)の一部は、ともに対電極(または第2の活性電極)を提供する。図6で示されるように、バイアス電圧は2つの集電体層の間に印加され、結果として集電層の間に生じる電流を測定する。 In FIG. 6, the sense elements are an insulating substrate (628), a conductive signal amplification layer (627), a ceramic electrolyte layer (624) that can be porous or dense, one active electrode layer (622), and one. Includes two collector layers (636, 637) located on the active electrode layer (622) in a spaced relationship. The two current collector layers (636, 637) have different compositions. For example, in one embodiment, the first current collector layer (636) is an Au and ceramic phase (GDC, SDC, zirconium-doped ceria (ZDC), yttria-stabilized zirconia (YSZ), scandium-stabilized zirconia (Scandium-stabilized zirconia). The second current collector layer (637) contains Pt and a ceramic phase (GDC, SDC,) containing a cermet of ScSZ), or one of the other ceramic electrolytes mentioned as suitable for use in active electrodes. Includes cermets of zirconium-doped ceria (ZDC), yttria-stabilized zirconia (YSZ), scandium-stabilized zirconia (ScSZ), or one of the other ceramic electrolytes mentioned as suitable for use in active electrodes). .. As a specific example, one current collector contains Au / GDC and the other contains Pt / ScSz. In the configuration shown in FIG. 6, one of the current collector layers (636, 637) and a part of the active electrode layer (622) under the current collector layer (622) both provide an active electrode, and the other current collector layer and the other current collector layer. A portion of the active electrode layer (622) below it both provides a counter electrode (or a second active electrode). As shown in FIG. 6, the bias voltage is applied between the two current collector layers and the resulting current between the current collector layers is measured.

図7では、センス素子は図5のものに類似し、SALが電解質層と基板との間に完全に封入されない点だけが異なる。従って、図7のセンス素子は、絶縁基板(728)、導電性信号増幅層(727)、多孔質または高密度であり得るセラミック電解質層(724)、活性電極層(722)、対電極層(726)、および活性電極層および対電極層の上面の少なくとも約90%をそれぞれ覆う集電体層(736、737)を含む。図5の配置のように、活性電極層および対電極層(722、726)は、同じまたは異なる組成であり得、集電体層(736、737)は、同じまたは異なる組成であり得る。図5とは異なり、図7に示される実施形態では、SAL(727)は、電解質膜(724)と基板(728)との間に完全に封入されていない。代わりに、示されるように、SAL層(727)は単に電解質膜層と基板層との間に位置している。 In FIG. 7, the sense element is similar to that of FIG. 5, except that the SAL is not completely encapsulated between the electrolyte layer and the substrate. Therefore, the sense element of FIG. 7 includes an insulating substrate (728), a conductive signal amplification layer (727), a porous or dense ceramic electrolyte layer (724), an active electrode layer (722), and a counter electrode layer (2). 726) and a current collector layer (736, 737) covering at least about 90% of the upper surface of the active electrode layer and the counter electrode layer, respectively. As in the arrangement of FIG. 5, the active electrode layer and the counter electrode layer (722, 726) may have the same or different composition, and the current collector layer (736, 737) may have the same or different composition. Unlike FIG. 5, in the embodiment shown in FIG. 7, the SAL (727) is not completely encapsulated between the electrolyte membrane (724) and the substrate (728). Instead, as shown, the SAL layer (727) is simply located between the electrolyte membrane layer and the substrate layer.

図8では、センス素子は図6のものに類似し、完全に封入されていないSALの使用だけが異なる。従って、センス素子は、絶縁基板(828)、導電性信号増幅層(827)、多孔質または高密度であり得るセラミック電解質層(824)、1つの活性電極層(822)、および1つの活性電極層(822)の上に間隔を置いた関係で位置する2つの集電体層(836、837)を含む。2つの集電体層(836、837)は、異なる組成であり、例えば、図6に関して上に記載される組成であってよい。図8に示される構成では、SAL(827)は、電解質膜(824)と基板(828)との間に完全に封入されていない。代わりに、SAL層(827)は単に電解質膜層と基板層との間に位置している。 In FIG. 8, the sense element is similar to that of FIG. 6, with the only difference being the use of an unencapsulated SAL. Thus, the sense elements are an insulating substrate (828), a conductive signal amplification layer (827), a ceramic electrolyte layer (824) that can be porous or dense, one active electrode layer (822), and one active electrode. Includes two collector layers (836, 837) located above the layer (822) in a spaced relationship. The two current collector layers (836, 837) may have different compositions, eg, the composition described above with respect to FIG. In the configuration shown in FIG. 8, the SAL (827) is not completely encapsulated between the electrolyte membrane (824) and the substrate (828). Instead, the SAL layer (827) is simply located between the electrolyte membrane layer and the substrate layer.

本明細書に記載されるセンサ実施形態において一方の電極を「対電極」と呼び、他方を「活性電極」と呼ぶことは、一部の例では、任意であることは指摘されるべきである。例えば、電子およびイオン電流が2つの電極間を流れる方向は、一方のバイアス方向を他方に切り替えることによって変えることができる。従って、図5〜8中の対電極は、存在する場合、第2の活性電極層と特徴づけることもできる。 It should be pointed out that in some examples it is optional to refer to one electrode as the "pair electrode" and the other as the "active electrode" in the sensor embodiments described herein. .. For example, the direction in which electron and ionic currents flow between the two electrodes can be changed by switching the bias direction of one to the other. Therefore, the counter electrode in FIGS. 5-8, if present, can also be characterized as a second active electrode layer.

図5〜8に示される実施形態の様々な層は、本明細書に記載される様々な組成のいずれかであり得る。具体例として、基板はアルミナであり、SALはPt、そして電解質層はGDCであり得る。活性電極は、電解質(例えば、GDC)および金属(例えば、Pt)と組み合わせたモリブデン酸塩またはタングステン酸塩化合物(例えば、MgWOまたはBaWO)であり得る。対電極は、金属(例えば、PtまたはAu)、電解質(例えば、GDCまたはScSZ)と金属(例えば、PtまたはAu)のサーメット、あるいは電解質(例えば、GDC)および金属(例えば、Pt)と組み合わせたモリブデン酸塩またはタングステン酸塩化合物(例えば、MgWOまたはBaWO)であり得る。集電体は、同様に、金属(例えば、PtまたはAu)、または電解質(例えば、GDCまたはScSZ)と金属(例えば、PtまたはAu)のサーメットであり得る。一部の例では、集電体は対電極の上に設けられない。より具体的な実施形態では、活性電極の上の集電体は、Au/GDC、Pt/GDC、およびPt/ScSZから選択されるサーメットを含み;(上にある集電体がない)対電極は、Au/GDC、Pt/GDC、およびPt/ScSZから選択されるサーメットを含み、この際、対電極のサーメットで用いられる金属(AuまたはPt)は、活性電極の集電体のサーメットで用いられる金属(PtまたはAu)とは異なる。 The various layers of the embodiments shown in FIGS. 5-8 can be any of the various compositions described herein. As a specific example, the substrate can be alumina, the SAL can be Pt, and the electrolyte layer can be GDC. The active electrode can be a molybdate or tungstate compound (eg MgWO 4 or BaWO 4 ) in combination with an electrolyte (eg GDC) and a metal (eg Pt). The counter electrode was combined with a metal (eg, Pt or Au), an electrolyte (eg, GDC or ScSZ) and a metal (eg, Pt or Au) cermet, or an electrolyte (eg, GDC) and a metal (eg, Pt). It can be a molybdate or tungstate compound (eg, MgWO 4 or BaWO 4 ). The current collector can also be a cermet of metal (eg, Pt or Au), or electrolyte (eg, GDC or ScSZ) and metal (eg, Pt or Au). In some examples, the current collector is not provided above the counter electrode. In a more specific embodiment, the current collector on the active electrode comprises a cermet selected from Au / GDC, Pt / GDC, and Pt / ScSZ; the counter electrode (without the current collector on top). Includes a cermet selected from Au / GDC, Pt / GDC, and Pt / ScSZ, wherein the metal (Au or Pt) used in the counter electrode cermet is used in the active electrode current collector cermet. It is different from the metal (Pt or Au) to be used.

なおさらなる代替実施形態では、SALは、活性/対電極と集電層の組合せよりもむしろ1つの層電極の使用を可能にすることができる。さらに、改質された電解質層が相当な量のセラミック電解質材料(例えば、約60体積パーセントよりも多いか、または電解質材料がそのパーコレーション限界を上回り、非電解質材料がパーコレーション限界を下回るほど十分な量)を含み、その結果、改質された電解質層活性が酸素イオンを介して主に電気を伝導するのであれば、SALによって、活性電極および電解質層の特定の構成要素が組み合わせされるように使用することができる(あるいは電極の一方または両方の下の電解質層が除去されていることを特徴とすることができる)。この例では、2つの異なる集電体材料を有することによって電極間に差別化をもたらすことができる。図9は、SAL(927)を用いるセンス素子のそのような実施形態を示す。 In yet a further alternative embodiment, the SAL can allow the use of a single layer electrode rather than a combination of active / counter electrode and current collector layer. In addition, a significant amount of the modified electrolyte layer is sufficient to allow a significant amount of the ceramic electrolyte material (eg, more than about 60% by volume, or the electrolyte material above its percoration limit and the non-electrolyte material below the percoration limit). ), As a result, if the modified electrolyte layer activity conducts electricity primarily through oxygen ions, then SAL is used to combine the active electrode and certain components of the electrolyte layer. (Or can be characterized by the removal of the electrolyte layer under one or both of the electrodes). In this example, having two different current collector materials can provide differentiation between the electrodes. FIG. 9 shows such an embodiment of a sense element using SAL (927).

図9では、センス素子は、絶縁基板(928)、導電性信号増幅層(927)、多孔質または高密度であり得るセラミック電解質層(924)、電解質層(924)の上面の一部分の上に位置する第1の電極層(922)、および、第1の電極層(922)に隣接して、電解質層(924)の上面の別の部分の上に位置する第2の電極層(926)を含む。第1および第2の電極(922、926)(例えば、活性電極および対電極)は異なる組成を有し、活性電極、対電極または集電体のための本明細書に記載される様々な組成のいずれかを含むことができる。 In FIG. 9, the sense element is mounted on a portion of the top surface of an insulating substrate (928), a conductive signal amplification layer (927), a porous or dense ceramic electrolyte layer (924), and an electrolyte layer (924). A first electrode layer (922) located and a second electrode layer (926) located adjacent to the first electrode layer (922) and above another portion of the upper surface of the electrolyte layer (924). including. The first and second electrodes (922,926) (eg, the active electrode and the counter electrode) have different compositions and the various compositions described herein for the active electrode, counter electrode or current collector. Can include any of.

電解質層(924)は、例えば、ドープセリアまたはドープジルコニア電解質であり得るが、その代わりにそれは少なくとも約60体積%のドープセリアまたはドープジルコニア電解質(例えば、GDC、SDC、ZDC、YSZ、またはScSZ)を、本明細書において既に記載されるモリブデン酸塩またはタングステン酸塩化合物の1以上(例えば、MgWOまたはBaWO);および/または1以上の金属、例えばPt、Pd、Rh、Ru、またはIrなど(あるいはそれらの合金または混合物)と組み合わせて含む、改質された電解質材料であり得る。一具体例として、改質された電解質層は、約60体積%〜約95体積%のドープセリアまたはドープジルコニア電解質(例えば、GDC、SDC、ZDC、YSZ、またはScSZ);および約5%〜約40%の、Pt、Pd、Rh、Ru、およびIrからなる群から選択される金属と組み合わせたモリブデン酸塩またはタングステン酸塩化合物を含む。 The electrolyte layer (924) can be, for example, a dope ceria or dope zirconia electrolyte, but instead it contains at least about 60% by volume of the dope ceria or dope zirconia electrolyte (eg, GDC, SDC, ZDC, YSZ, or ScSZ). One or more of the molyte or tungstate compounds already described herein (eg, MgWO 4 or BaWO 4 ); and / or one or more metals such as Pt, Pd, Rh, Ru, or Ir (eg, Pt, Pd, Rh, Ru, or Ir). Alternatively, it can be a modified electrolyte material, including in combination with their alloys or mixtures). As a specific example, the modified electrolyte layer comprises from about 60% to about 95% by volume of dope ceria or dope zirconia electrolyte (eg, GDC, SDC, ZDC, YSZ, or ScSZ); and from about 5% to about 40. Includes a molybdate or tungstate compound in combination with a metal selected from the group consisting of Pt, Pd, Rh, Ru, and Ir.

改質した電解質層を図9の実施形態で使用することにより、モリブデン酸塩/タングステン酸塩化合物の利益をさらなる電極層よりもむしろ電解質層で活用することができる。そのような改質した電解質層が図9の実施形態で使用される場合、電極(922、926)は、異なる組成を有するべきである。例えば、1つの電極は、白金および電解質(GDC、SDC、YSZ、ScSZ)を含有するサーメットを含み得るが、他方の電極は金および電解質(GDC、SDC、YSZ、ScSZ)を含有するサーメットを含む。 By using the modified electrolyte layer in the embodiment of FIG. 9, the benefits of the molybdate / tungstate compound can be utilized in the electrolyte layer rather than in the additional electrode layer. When such a modified electrolyte layer is used in the embodiment of FIG. 9, the electrodes (922, 926) should have different compositions. For example, one electrode may contain cermets containing platinum and electrolytes (GDC, SDC, YSZ, ScSZ), while the other electrode contains cermets containing gold and electrolytes (GDC, SDC, YSZ, ScSZ). ..

さらなる実施形態では、SALは、各々が1つの表面電極の下に位置する、2つの隣接する層に電解質を分岐させることができる。これらの例では、バイアス下での電極間の横導通は、完全にSALを通る。通常、電解質層を通して電極間で伝導される酸素イオンは、第1の電解質層とSALの界面で電子に変換される。次に、これらの電子は、SALを通って輸送され、その後SALと第2の電解質層の界面で酸素と反応して酸素イオンを形成する。図10は、センス素子が、絶縁基板(1028)、導電性信号増幅層(1027)、SALの一部分の上に位置する第1のセラミック電解質層(1024A)、第1の電解質層(1024A)に隣接するSALの別の部分の上に位置する第2のセラミック電解質層(1024B)、第1のセラミック電解質層(1024A)の上に位置する第1の電極層(1022)、および第2のセラミック電解質層(1024B)の上に位置する第2の電極層(1026)を含む、1つのそのような実施形態を示す。第1および第2の電極(1022、1026)(例えば、活性電極および対電極)は異なる組成を有し、活性電極、対電極または集電体のための本明細書に記載される様々な組成のいずれかを含むことができる。第1および第2の電解質層は同じまたは異なる組成であってよく、例えばドープセリアまたはドープジルコニア電解質を含むか、または代わりに、図9に関して上に記載されるような改質した電解質材料を含むことができる。 In a further embodiment, the SAL can branch the electrolyte into two adjacent layers, each located beneath one surface electrode. In these examples, the transverse conduction between the electrodes under bias passes completely through the SAL. Normally, oxygen ions conducted between electrodes through the electrolyte layer are converted into electrons at the interface between the first electrolyte layer and SAL. These electrons are then transported through the SAL and then react with oxygen at the interface between the SAL and the second electrolyte layer to form oxygen ions. In FIG. 10, the sense element is attached to the insulating substrate (1028), the conductive signal amplification layer (1027), the first ceramic electrolyte layer (1024A) located on a part of the SAL, and the first electrolyte layer (1024A). A second ceramic electrolyte layer (1024B) located above another portion of the adjacent SAL, a first electrode layer (1022) located above the first ceramic electrolyte layer (1024A), and a second ceramic. One such embodiment includes a second electrode layer (1026) located above the electrolyte layer (1024B). The first and second electrodes (1022, 1026) (eg, the active electrode and the counter electrode) have different compositions and the various compositions described herein for the active electrode, counter electrode or current collector. Can include any of. The first and second electrolyte layers may have the same or different composition and may contain, for example, a dope ceria or dope zirconia electrolyte, or instead contain a modified electrolyte material as described above with respect to FIG. Can be done.

図11は、分岐した電解質層を用いるセンス素子のさらに別の代替実施形態を示す。図11では、センス素子は、絶縁基板(1128)、導電性信号増幅層(1127)、SALの一部分の上に位置する第1のセラミック電解質層(1124A)、第1の電解質層(1124A)に隣接するSALの別の部分の上に位置する第2のセラミック電解質層(1124B)、第1のセラミック電解質層(1024A)に位置する第1の電極層(1122)、第1の電極層(1122)の上に位置する集電体層(1136)、および第2のセラミック電解質層(1124B)の上に位置する第2の電極層(1126)を含む。第1および第2の電極(1122、1126)(例えば、活性電極および対電極)は同じまたは異なる組成を有し、活性電極、対電極または集電体のための本明細書に記載される様々な組成のいずれかを含むことができる。第1および第2の電解質層は同じまたは異なる組成であってよく、例えばドープセリアまたはドープジルコニア電解質を含むか、または代わりに、図9に関して上に記載されるような改質した電解質材料を含むことができる。例として、第1の電解質層(1124A)はドープセリアまたはドープジルコニア電解質を含むが、第2の電解質層は、図9に関して上に記載されるような改質された電解質材料を含む(例えば、モリブデン酸塩化合物をGDCまたはSDCとともに含む)。 FIG. 11 shows yet another alternative embodiment of a sense device that uses a branched electrolyte layer. In FIG. 11, the sense element is formed on an insulating substrate (1128), a conductive signal amplification layer (1127), a first ceramic electrolyte layer (1124A) located on a part of SAL, and a first electrolyte layer (1124A). A second ceramic electrolyte layer (1124B) located on another portion of the adjacent SAL, a first electrode layer (1122) located on the first ceramic electrolyte layer (1024A), and a first electrode layer (1122). ), A second electrode layer (1126) located above the second ceramic electrolyte layer (1124B). The first and second electrodes (1122, 1126) (eg, the active electrode and the counter electrode) have the same or different composition and are described herein for a variety of active electrodes, counter electrodes or current collectors. Can contain any of the above compositions. The first and second electrolyte layers may have the same or different composition and may contain, for example, a dope ceria or dope zirconia electrolyte, or instead contain a modified electrolyte material as described above with respect to FIG. Can be done. As an example, the first electrolyte layer (1124A) contains a dope ceria or dope zirconia electrolyte, while the second electrolyte layer contains a modified electrolyte material as described above with respect to FIG. 9 (eg, molybdenum). The acid salt compound is included with GDC or SDC).

本明細書に記載されるセンサの実施形態は、通常、機械的な支持をもたらすために、記載される電気化学セルと組み合わせて基板を含む。基板は、任意の適した絶縁材料、例えば、酸化アルミニウム、酸化マグネシウム、アルミン酸マグネシウム、ムライト、ステアタイト、またはコーディエライトなどの絶縁セラミック材料を含んでよい。酸化アルミニウムは、基板材料として特に有用である。装置は、基板材料として(絶縁材料の代わりに)金属または合金で組み立てることもできる。これらの例では、金属基板自体は、信号増幅層として機能する。これは、電解質層、活性電極層および集電体層の積層の間に界面で絶縁層が作製されないような方法で電解質材料(または活性電極材料を含有する電解質)を金属基板の上に直接積層することを必要とする。例えば、スパッタリングプロセス(または同類のもの)を用いて様々な層を積層することができる。 The sensor embodiments described herein typically include a substrate in combination with the described electrochemical cells to provide mechanical support. The substrate may include any suitable insulating material, such as an insulating ceramic material such as aluminum oxide, magnesium oxide, magnesium aluminate, mullite, steatite, or cordierite. Aluminum oxide is particularly useful as a substrate material. The device can also be assembled with a metal or alloy as the substrate material (instead of the insulating material). In these examples, the metal substrate itself functions as a signal amplification layer. This is a method in which an electrolyte material (or an electrolyte containing an active electrode material) is directly laminated on a metal substrate in such a manner that an insulating layer is not formed at an interface between the layers of the electrolyte layer, the active electrode layer, and the current collector layer. Need to do. For example, various layers can be laminated using a sputtering process (or similar).

本明細書のセンサおよびセンサシステムは、様々な適用環境に適合するように構成されることができ、それには、構造的頑強性、センサ温度を制御するための1以上の加熱器の追加、ならびに/あるいは、温度を測定し、温度制御のために電子制御装置にフィードバックする測温抵抗体(「RTD」)、サーミスタ、熱電対またはその他の装置の追加をもたらすために変更された基板を含むことができる。特定の周波数での電解質層のインピーダンスの使用に基づく、代わりとなる温度測定手法も使用することができる(この手法は、センサ装置構造に特定の機能を付加することを必要とすることになる)。変更は、全体のセンササイズおよび形状、センサを収容し保護する外装および遮蔽、ならびにセンサ信号を外部装置またはアプリケーションに伝達する適切なリード線および配線にも行うことができる。 The sensors and sensor systems herein can be configured to suit a variety of application environments, including structural robustness, the addition of one or more heaters to control the sensor temperature, and / Or include a modified substrate to bring in the addition of resistance temperature detectors (“RTDs”), thermistors, thermocouples or other devices that measure temperature and feed back to electronic controls for temperature control. Can be done. An alternative temperature measurement technique based on the use of the impedance of the electrolyte layer at a particular frequency can also be used (this technique would require adding certain functionality to the sensor device structure). .. Modifications can also be made to the overall sensor size and shape, the exterior and shielding that accommodates and protects the sensor, and the appropriate leads and wiring to transmit the sensor signal to an external device or application.

センサは、所望により電解質および電極から電気的に絶縁した加熱器を含むことができる。一部の実施形態では、加熱器は、例えば、限定されるものではないが白金、パラジウム、銀、または同類のものなどの導電性金属から形成される抵抗加熱器を含む。加熱器は、例えば、基板に適用または埋設されてもよいし、さらなる絶縁層(例えば、酸化アルミニウム)などの別の絶縁層によってセルに適用されてもよい。さらにその他の実施形態では、温度測定機構をセンサに適用して、温度を測定し、それを電子制御装置にフィードバックして閉ループ温度制御を可能にする。例えば、温度測定機構は、抵抗温度係数の高い導電性金属または金属/セラミック複合材料(例えば、白金または白金系サーメット)で作製された測温抵抗体(RTD)である。 The sensor can optionally include a heater that is electrically isolated from the electrolyte and electrodes. In some embodiments, the heater includes, for example, a resistance heater formed from a conductive metal such as, but not limited to, platinum, palladium, silver, or the like. The heater may be applied or embedded in the substrate, for example, or may be applied to the cell by another insulating layer such as an additional insulating layer (eg, aluminum oxide). In yet another embodiment, a temperature measuring mechanism is applied to the sensor to measure the temperature and feed it back to the electronic controller to enable closed-loop temperature control. For example, the temperature measuring mechanism is a resistance temperature detector (RTD) made of a conductive metal or metal / ceramic composite material (eg, platinum or platinum-based cermet) with a high temperature coefficient of resistance.

図2に示されるような特定の実施形態では、電気化学センサは、多層セラミックキャパシタおよび多層セラミック基板の製造中に一般に使用されるテープキャスティングおよびスクリーン印刷技術を用いて作製される。このプロセスの第1の部分は、酸化アルミニウムシート(またはテープ)のテープキャスティングを伴う。グリーン状態で、レーザーカッターまたはパンチを用いて基板にビアホールが切り込まれ、埋設された加熱器またはその他の構造から、セラミック素子の外面上のコンタクトパッドまでの電気経路接続を提供する。白金(または白金系材料)を、グリーンの酸化アルミニウムテープの片面に、焼結後に加熱器となり得るパターンにスクリーン印刷する。また、グリーン状態の、SALがグリーンの酸化アルミニウムテープの片面の上にスクリーン印刷される。 In certain embodiments as shown in FIG. 2, the electrochemical sensor is made using tape casting and screen printing techniques commonly used during the manufacture of multilayer ceramic capacitors and multilayer ceramic substrates. The first part of this process involves tape casting of aluminum oxide sheets (or tapes). In the green state, a via hole is cut into the substrate using a laser cutter or punch to provide an electrical path connection from the embedded heater or other structure to the contact pad on the outer surface of the ceramic element. Platinum (or platinum-based material) is screen-printed on one side of green aluminum oxide tape in a pattern that can be a heater after sintering. Also, in the green state, SAL is screen-printed on one side of the green aluminum oxide tape.

本明細書に記載される様々な実施形態では、SALは、通常、2つの電極間の隙間の下に広がることを含む、表面電極の少なくとも約50%の下に広がるように構成される連続した導電層である。言い換えれば、SALは、表面電極の下に位置し、表面電極を合わせた大きさ(電極間の隙間を含む)の約50%〜約120%の大きさを有する。例えば、図7に示されるように、SAL(727)の断面の長さ(L)は、電極(722、726)の端から端までの幅(W)の約120%である。図5および6では、SALの大きさは、電極面積とほぼ同じである(表面電極間の隙間を含む)。 In the various embodiments described herein, the SAL is continuous configured to extend below at least about 50% of the surface electrodes, usually including extending below the gap between the two electrodes. It is a conductive layer. In other words, the SAL is located below the surface electrodes and has a size of about 50% to about 120% of the combined size of the surface electrodes (including the gaps between the electrodes). For example, as shown in FIG. 7, the cross-sectional length (L) of the SAL (727) is about 120% of the end-to-end width (W) of the electrodes (722, 726). In FIGS. 5 and 6, the size of the SAL is approximately the same as the electrode area (including the gap between the surface electrodes).

SALは、センサの製造に適した多様な導電性材料で作製することができる。適した材料としては、Pt、Pd、Au、Ag、前述の金属の合金(例えば、PtとPd、Auおよび/またはAuの合金)、またはその他の導電性金属もしくはセラミック材料が挙げられる。白金が特に有用である。 The SAL can be made of a variety of conductive materials suitable for the manufacture of sensors. Suitable materials include Pt, Pd, Au, Ag, alloys of the aforementioned metals (eg alloys of Pt and Pd, Au and / or Au), or other conductive metal or ceramic materials. Platinum is especially useful.

図2の実施形態に戻ると、SAL層の形成後、スクリーン印刷した加熱器層が中央にあり、SALが反対の面にあるように、グリーンの酸化アルミニウムテープの複数の層を整列させ、積み重ねる。その後、積み重ねたグリーンのアルミナテープを、わずかに高い温度で一軸圧力を加えることによって積層する。ビアホールに、白金などの導電性インクを充填し、積層体を高温で焼結させて、酸化アルミニウム基板を固化する。その後、多孔質セリア系電解質(GDCまたはSDC)層(またはその他の電解質材料)を、スクリーン印刷および焼結によって、SALの上および基板周囲の表面上に適用する。白金(または白金ベース材料)を、焼結素子の外面に、焼結後に温度測定を可能にするRTDとなり得るパターンにスクリーン印刷する。あるいは、別のRTDに適した材料を、酸化アルミニウム基板の焼結の前にグリーン状態で適用し、それと共焼結させてもよい。ガラス層をRTDの上に適用し、硬化させて適用時にRTDを保護してよい。あるいは、加熱器とRTD層の両方をグリーン状態の基板および白金ビアで作製した接続部の中に埋設してよく(上記の通り)、または白金RTDだけを基板の中に埋設し、加熱器層を外面に印刷してガラス層で保護してよい。あるいは、RTDを省略してもよく、温度測定および制御のための別の手段を使用してよい。 Returning to the embodiment of FIG. 2, after the formation of the SAL layer, multiple layers of green aluminum oxide tape are aligned and stacked so that the screen-printed heater layer is in the center and the SAL is on opposite sides. .. The stacked green alumina tapes are then laminated by applying uniaxial pressure at a slightly higher temperature. The via hole is filled with a conductive ink such as platinum, and the laminate is sintered at a high temperature to solidify the aluminum oxide substrate. A porous ceria-based electrolyte (GDC or SDC) layer (or other electrolyte material) is then applied over the SAL and on the surface around the substrate by screen printing and sintering. Platinum (or platinum-based material) is screen-printed on the outer surface of the sintering element in a pattern that can be an RTD that allows temperature measurement after sintering. Alternatively, another RTD suitable material may be applied in the green state prior to sintering the aluminum oxide substrate and co-sintered with it. A glass layer may be applied over the RTD and cured to protect the RTD during application. Alternatively, both the heater and the RTD layer may be embedded in a green substrate and a connection made of platinum vias (as described above), or only the platinum RTD may be embedded in the substrate and the heater layer. May be printed on the outer surface and protected by a glass layer. Alternatively, the RTD may be omitted and alternative means for temperature measurement and control may be used.

電気化学セルまたはセンサの製造は、次に、活性電極層および対電極層(本明細書に記載される組成物のいずれかで作製)を電解質層の上にスクリーン印刷した後、電極層をアニールして接着を促進するために電極層を焼結することによって完了する。次に(than)、集電体層を同様の方法で適用することができる。多孔質セラミックコーティング、例えばゼオライトまたはガンマアルミナなどをさらに電極/集電体の上に適用して適用時にこれらの層を保護し、か焼して接着を向上させることができる。注目すべきは、複数の電気化学セルまたはセンサを、アレイ処理によって上記のプロセスで同時に作製することができることである。 The manufacture of the electrochemical cell or sensor then annealies the electrode layer after screen printing the active electrode layer and counter electrode layer (made with any of the compositions described herein) on the electrolyte layer. It is completed by sintering the electrode layer to promote adhesion. Next, the current collector layer can be applied in a similar manner. Porous ceramic coatings, such as zeolite or gamma alumina, can be further applied over the electrodes / current collectors to protect these layers during application and calcinate to improve adhesion. Of note, multiple electrochemical cells or sensors can be simultaneously produced by the above process by array processing.

センサシステムは、例えば、本明細書に記載される1以上のセンサと1以上の電子制御装置を接続することによって形成され、この電子制御装置は、制御可能にバイアス電圧を印加し、(例えば、制御装置に提供されるセンサ温度測定に基づいて、ヒータへの入力電圧のパルス幅を変調することによって)温度を制御するように構成されている。一部の実施形態では、制御装置は、調節されたセンサ出力、例えば較正されたかまたは線形化された出力などを提供するように構成されている。 The sensor system is formed, for example, by connecting one or more sensors described herein with one or more electronic control devices, the electronic control device applying a controllably biased voltage (eg, eg). It is configured to control the temperature (by modulating the pulse width of the input voltage to the heater) based on the sensor temperature measurements provided to the controller. In some embodiments, the control device is configured to provide a tuned sensor output, such as a calibrated or linearized output.

本明細書に記載される様々なセンサおよびセンサシステムのいずれかを用いて、NOおよび/またはNHなどの1以上の標的ガス種の濃度を検出し、検知し、かつ/またはモニターする方法も提供される。これらの方法では、バイアス電圧をセンサの電気化学セルに印加し、結果として生じる電流を測定する。測定電流は、以前に収集したセンサデータに基づいてセンサ温度で標的ガス種と関連付けられる。一般に、測定電流は、ガス試料またはガス流中の標的ガス種の濃度が増加するにつれて変化する。任意の所与のセンサ動作温度および印加バイアス電圧の、所定のセンサ応答データを使用することにより、標的ガス種を、センサセルを通る生成電流に基づいて決定することができる。 A method of detecting, detecting, and / or monitoring the concentration of one or more target gas species such as NO X and / or NH 3 using any of the various sensors and sensor systems described herein. Is also provided. In these methods, a bias voltage is applied to the electrochemical cell of the sensor and the resulting current is measured. The measured current is associated with the target gas species at the sensor temperature based on previously collected sensor data. In general, the measured current changes as the concentration of the target gas species in the gas sample or gas stream increases. By using predetermined sensor response data for any given sensor operating temperature and applied bias voltage, the target gas type can be determined based on the generated current through the sensor cell.

本明細書に記載されるセンサ、センサシステムおよび方法は、多様なその他のガス種を検出するためにも適合させることができ、それには一酸化炭素(CO)、メタン(CH)、エタノール(C)、硫化水素(HS)、硫黄酸化物(SOx)、水素(H)、冷媒、酸素(O)、揮発性有機化合物(VOC)およびその他の炭化水素が含まれる。アンペロメトリックセンサ、センサシステムおよび方法の多様なさらなる特徴および利点は、後述する実施例で説明される装置および得られる結果から明らかになるであろう。 The sensors, sensor systems and methods described herein can also be adapted to detect a wide variety of other gas species, including carbon monoxide (CO), methane (CH 4 ), ethanol ( Includes C 2 H 6 ), hydrogen sulfide (H 2 S), sulfur oxides (SOx), hydrogen (H 2 ), refrigerants, oxygen (O 2 ), volatile organic compounds (VOC) and other hydrocarbons. .. A variety of additional features and advantages of amperometric sensors, sensor systems and methods will become apparent from the devices and results obtained described in the Examples below.

前に述べたように、NO濃度とNH濃度の両方の測定を提供するために、センサは、2つの活性電極で組み立てることができ、2個の異なる電気化学セルを効果的に提供することができる。試験のために、例示的なセンサを1個の電気化学セルとして作製し、複数の電気化学セルを有するデュアルNO/NHセンサの設計を可能にする条件下で試験した。この試験によって、出願人らはNOとNHの両方の濃度を測定するためのセンサを作製するための複数のアプローチを見出した。これらのアプローチは、通常、1個の電気化学セルを、そのセルがNOおよびNHに関して付加的応答を示す(すなわち、3つの種全てに対して同一の応答を示す)ように作製し動作させること、および第2の電気化学セルを、そのセルがNHの存在下でNOに関して選択的反応を示す(すなわち、NOおよびNOに対して同一の応答を示し、NHに対して減少した応答を示すかまたは応答を示さない)ように作製し動作させることを伴う。 As I mentioned before, in order to provide a measure of both of the NO X concentration and the NH 3 concentration, the sensor can be assembled in two active electrodes, providing two different electrochemical cells effectively be able to. For testing, an exemplary sensor was made as a single electrochemical cell and tested under conditions that allowed the design of a dual NO X / NH 3 sensor with multiple electrochemical cells. This test applicants discovered several approaches for making a sensor for measuring the concentration of both of the NO X and NH 3. These approaches are usually one electrochemical cell, the cell exhibits an additional response with respect to NO X and NH 3 (i.e., exhibit the same response for all three species) produced works as And the second electrochemical cell, in the presence of NH 3 , the cell shows a selective reaction with respect to NO X (ie, the same response to NO and NO 2 and to NH 3) . Accompanied by making and operating to show a reduced response or no response).

付加的応答とは、電気化学セルにより提供される信号の大きさが、分析されるガス試料またはガス流中の分析物(例えば、NO、NOおよびNH)の合計濃度に比例することを意味する。従って、本明細書に記載されるアンペロメトリックセンサでは、NO、NOおよびNHに対して付加的応答を示すセンサの個々の電気化学セルは、NO、NOおよびNHの合計濃度に比例する信号をもたらすであろう。言い換えれば、センサの電気化学セルは、所与濃度のNO、NOおよびNHに曝露されるとほぼ同じ電流が生成される(例えば、電気化学セルが20ppm NO、20ppm NOまたは20ppm NHに曝露されるとほぼ同じ電流が生成される)ように、NO、NOおよびNHに対してほぼ等しい応答を示す。特に、センサの個々の電気化学セルは、2以上の分析種の各々に対する感度が、10〜200ppmの範囲内の所与濃度のガス分析種に対して±20%の範囲内である場合に、これらの分析種に関して付加的と考えられる。本明細書において、感度は、分析種の不在下の電流信号と比較した電流信号の変化率である。一部の実施形態では、付加的電気化学セルの2以上の分析種に対する感度は、±10%、またはさらに±5%の範囲内である。 The additional response is that the magnitude of the signal provided by the electrochemical cell is proportional to the total concentration of the gas sample or analyte in the gas stream being analyzed (eg, NO, NO 2 and NH 3). means. Accordingly, the amperometric sensor as described herein, NO, individual electrochemical cell sensor shown an additional response to NO 2 and NH 3 are, NO, the total concentration of NO 2 and NH 3 Will result in a proportional signal. In other words, the electrochemical cell of the sensor produces about the same current when exposed to given concentrations of NO, NO 2 and NH 3 (eg, 20 ppm NO, 20 ppm NO 2 or 20 ppm NH 3 in the electrochemical cell). It exhibits approximately equal responses to NO, NO 2 and NH 3 so that it produces approximately the same current when exposed to. In particular, the individual electrochemical cells of the sensor have a sensitivity to each of the two or more species in the range of ± 20% for a given concentration of gas analyte in the range of 10-200 ppm. It is considered to be additional with respect to these analytical species. As used herein, sensitivity is the rate of change of the current signal compared to the current signal in the absence of the species of analysis. In some embodiments, the sensitivity of the additional electrochemical cell to two or more species is in the range of ± 10%, or even ± 5%.

センサの一方の電気化学セルは、2以上の標的ガス種(例えば、NOおよびNH)に対する付加的応答を示すが、センサの他方の電気化学セルは標的ガス種の1つ(例えば、NOかまたはNHのいずれか)に対して最小応答性または非応答性である、すなわち選択的応答である。選択性は、第2の電気化学セルの構成(例えば、活性電極材料および/または集電体の選択)および/または第2の電気化学セルの動作様式(例えば、バイアスの方向)のいずれかによって与えられる。センサの電気化学セルは、特定の分析物に対する感度が、10〜200ppmの範囲内の所与濃度で、その他の1または複数の目的の分析物に対する感度の20%未満である場合、この特定の分析物に関して最小応答性(すなわち選択的)である。一部の実施形態では、1つの分析物に対する感度は、その他の1または複数の分析物に対する感度の10%未満、または5%未満でさえある。特定の一実施形態では、センサの第1の電気化学セルがNOおよびNHに関して付加的であり、センサの第2の電気化学セルがNOに応答性であるがNHに対して最小の応答性しかないか、または非応答性である場合、第2の電気化学セルは、NOおよびNOに関して付加的な特性を示すことが好ましい。 One electrochemical cell of the sensor shows an additional response to more than one target gas species (eg NO X and NH 3 ), while the other electrochemical cell of the sensor is one of the target gas species (eg NO). It is minimally responsive or non-responsive to either X or NH 3), i.e. a selective response. The selectivity depends on either the configuration of the second electrochemical cell (eg, selection of active electrode material and / or current collector) and / or the mode of operation of the second electrochemical cell (eg, bias direction). Given. The electrochemical cell of the sensor is this particular if its sensitivity to a particular analyte is less than 20% of its sensitivity to one or more other analytes at a given concentration in the range of 10-200 ppm. Minimal responsiveness (ie selective) with respect to the analyte. In some embodiments, the sensitivity to one analyte is less than 10%, or even less than 5%, of the sensitivity to one or more other analytes. In one particular embodiment, the first electrochemical cell of the sensor is additive for NO X and NH 3 , and the second electrochemical cell of the sensor is NO X responsive but minimal for NH 3. The second electrochemical cell preferably exhibits additional properties with respect to NO and NO 2 if it is only responsive or non-responsive.

本発明者らは、付加的および選択的なセンサ応答を得るために(例えば、デュアルNO/NH検出および定量化を可能にするために)、2個のセルの集電体を調整することによって、1つが2以上の標的ガス種に対する付加的応答を有し、1つが少なくとも1つの標的ガス種に対する選択的応答を有する2個の電気化学セルを提供することができることを見出した。信号強度と、一部の例では選択性もSALによって増強される。これらの発見は、集電体が活性電極の表面を完全に覆う装置(被覆率>約90%)を作製すること、および対電極と活性電極の両方が電解質の同じ面の上に間隔を置いた関係で積層される装置構造を利用することによって達成された。本明細書においてさらに報告される試験によって実証されるように、本発明者らは、電気化学的検知反応がこの代替配置の集電体によって制御されるようになることを見出した。例えば、同じ活性電極(MgWOまたはBaWOに基づく)を有する電気化学セルにおいて、付加的センサ応答は、白金系集電体を活性電極の上に組み込むセルで実現され、選択的応答は、金系集電体を活性電極の上に組み込むセルで実現される。これは、本明細書においてさらに記載される実施例によってより明白になる。 The present inventors have found that in order to obtain additional and selective sensor response (e.g., to allow for dual NO X / NH 3 detection and quantification), to adjust the collector of two cells By doing so, it has been found that it is possible to provide two electrochemical cells, one having an additional response to two or more target gas species and one having a selective response to at least one target gas species. Signal strength and, in some cases, selectivity are also enhanced by SAL. These findings are that the current collector creates a device that completely covers the surface of the active electrode (coverage> about 90%), and that both the counter electrode and the active electrode are spaced on the same surface of the electrolyte. This was achieved by utilizing a device structure that is laminated in a relationship. As demonstrated by the tests further reported herein, we have found that the electrochemical detection response will be controlled by the current collector in this alternative configuration. For example, in an electrochemical cell having the same active electrode ( based on MgWO 4 or BaWO 4 ), the additional sensor response is realized in the cell incorporating the platinum-based current collector on top of the active electrode, and the selective response is gold. It is realized by a cell that incorporates the system current collector on the active electrode. This becomes more apparent with the examples further described herein.

図21〜24は、電極の一方または両方が、電解質層の上に位置する集電層を含み、触媒層が集電層の上方に位置し、集電層の上面の少なくとも約90%を覆う(図22および24)か、または集電体層を触媒層と電解質層の間に完全に封入する(図21および23)、本開示のセンス素子のさらなる代替実施形態を示す。示されるように、SALも図21〜25の実施形態に提供される。 In FIGS. 21-24, one or both of the electrodes include a current collector layer located above the electrolyte layer, with the catalyst layer located above the current collector layer and covering at least about 90% of the top surface of the current collector layer. (FIGS. 22 and 24) or a further alternative embodiment of the sense element of the present disclosure is shown in which the current collector layer is completely encapsulated between the catalyst layer and the electrolyte layer (FIGS. 21 and 23). As shown, SAL is also provided in the embodiments of FIGS. 21-25.

図21〜24の実施形態では、集電体層は、触媒層よりも高い導電率を有する。触媒層は、活性電極層として使用するための、本明細書において以前に記載した材料のいずれか、特にモリブデン酸塩またはタングステン酸塩を含む組成物(例えば、上記のように、電解質材料および金属と組み合わせた、モリブデン酸塩またはタングステン酸塩化合物)であってよい。集電体層は、集電体層として使用するための、本明細書において以前に記載した材料のいずれか、特に金属(例えば、PtまたはAu)または電解質と金属のサーメット(例えば、Au/GDC、Pt/GDC、またはPt/ScSZ)であってよい。示されるように、バイアス電圧は集電体層間に印加され、結果として生じる信号は集電体層間からも得られるが、触媒層は、触媒/集電体界面に存在するNO、NOおよびNHの濃度を操作し、それによりバイアスが印加されるときに(触媒層が存在しない場合の電流の量と比較して)電流の量を変えると考えられる。 In the embodiments of FIGS. 21-24, the current collector layer has a higher conductivity than the catalyst layer. The catalyst layer is a composition comprising any of the materials previously described herein, particularly molybdates or tungstates, for use as an active electrode layer (eg, electrolyte materials and metals, as described above). It may be a molybdate or tungstate compound) in combination with. The current collector layer is any of the materials previously described herein for use as a current collector layer, particularly metal (eg Pt or Au) or electrolyte and metal cermets (eg Au / GDC). , Pt / GDC, or Pt / ScSZ). As shown, the bias voltage is applied between the current collector layers and the resulting signal is also obtained from the current collector layers, but the catalyst layer is NO, NO 2 and NH present at the catalyst / current collector interface. It is believed that the concentration of 3 is manipulated, thereby changing the amount of current when a bias is applied (compared to the amount of current in the absence of a catalyst layer).

図21では、センス素子は、絶縁基板(2028)、導電性信号増幅層(2027)、多孔質または高密度であり得るセラミック電解質層(2024)、電解質層(2024)の上面の一部分の上に位置する第1の集電体層(2036)、および、第1の集電体層(2036)に隣接して、電解質層(2024)の上面の別の部分の上に位置する第2の集電体層(2037)を含む。第1の触媒層(2022)は第1の集電体層(2036)を封入し(すなわち触媒と電解質との間にある)、第2の触媒層(2026)は第2の集電体層(2037)を封入する。2つの集電体層(2036、2037)は、同じまたは異なる組成であってよく、2つの触媒層(2022、2026)は、同じまたは異なる組成であってよい。しかし、集電体層かまたは触媒層の少なくとも一方は、他方の集電体層または触媒層とは異なる組成を有するべきである(すなわち2036は、2037とは異なる組成を有し、かつ/あるいは2022は2026とは異なる組成を有する)。また、示されるように、SAL(2027)が所望により部分的に封入されているよりもむしろ完全に封入されていることも理解されるであろう(図22〜24のセンス素子にも当てはまる)。 In FIG. 21, the sense element is mounted on a portion of the top surface of an insulating substrate (2028), a conductive signal amplification layer (2027), a porous or dense ceramic electrolyte layer (2024), and an electrolyte layer (2024). A first collector layer (2036) located and a second collection located adjacent to the first collector layer (2036) and above another portion of the top surface of the electrolyte layer (2024). Includes an electrical layer (2037). The first catalyst layer (2022) encloses the first current collector layer (2036) (that is, between the catalyst and the electrolyte), and the second catalyst layer (2026) is the second current collector layer. (2037) is enclosed. The two current collector layers (2036, 2037) may have the same or different composition, and the two catalyst layers (2022, 2026) may have the same or different composition. However, at least one of the current collector layer or the catalyst layer should have a different composition than the other current collector layer or catalyst layer (ie, 2036 has a different composition than 2037 and / or 2022 has a different composition than 2026). It will also be appreciated that, as shown, SAL (2027) is optionally fully encapsulated rather than partially encapsulated (also applies to the sense elements of FIGS. 22-24). ..

図22のセンス素子は図21のものに類似している、しかし、この実施形態では、触媒層(2122、2126)は、下にある集電体層(2136、2137)を完全に封入していない。図22のセンス素子も、前と同じように絶縁基板(2128)、導電性信号増幅層(2127)、および多孔質または高密度であり得るセラミック電解質層(2124)を含む。この場合も、2つの集電体層(2136、2137)は同じまたは異なる組成であってよく、2つの触媒層(2122、2126)は、同じまたは異なる組成であり得る。しかし、集電体層かまたは触媒層の少なくとも一方は、他方の集電体層または触媒層とは異なる組成を有するべきである(すなわち2136は、2137とは異なる組成を有し、かつ/あるいは2122は2126とは異なる組成を有する)。 The sense element of FIG. 22 is similar to that of FIG. 21, but in this embodiment the catalyst layer (2122, 2126) completely encapsulates the underlying current collector layer (2136, 2137). No. The sense element of FIG. 22 also includes an insulating substrate (2128), a conductive signal amplification layer (2127), and a ceramic electrolyte layer (2124), which can be porous or dense, as before. Again, the two current collector layers (2136, 2137) may have the same or different composition, and the two catalyst layers (2122, 2126) may have the same or different composition. However, at least one of the current collector layer or the catalyst layer should have a different composition than the other current collector layer or catalyst layer (ie, 2136 has a different composition than 2137 and / or 2122 has a different composition than 2126).

図23の実施形態では、センス素子は、絶縁基板(2228)、導電性信号増幅層(2227)、多孔質または高密度であり得るセラミック電解質層(2224)、電解質層(2224)の上面の一部分の上に位置する集電体層(2236)、集電体層(2236)に隣接して、電解質層(2224)の上面の別の部分の上に位置する対電極層(2226)を含む。触媒層(2222)は、集電体層(2236)を封入する(すなわち触媒と電解質の間にある)。対電極層2226は、対電極として、または集電体として用いるための本明細書に記載される組成のいずれかを含むことができる。 In the embodiment of FIG. 23, the sense element is a portion of the top surface of an insulating substrate (2228), a conductive signal amplification layer (2227), a porous or dense ceramic electrolyte layer (2224), and an electrolyte layer (2224). It includes a current collector layer (2236) located above, a counter electrode layer (2226) adjacent to the current collector layer (2236) and above another portion of the upper surface of the electrolyte layer (2224). The catalyst layer (2222) encloses the current collector layer (2236) (ie, between the catalyst and the electrolyte). The counter electrode layer 2226 may include any of the compositions described herein for use as a counter electrode or as a current collector.

図24のセンス素子は図23のものに類似している、しかし、この実施形態では、触媒層(2322)は、下にある集電体層(2336)を完全に封入していない。図24のセンス素子も、前と同じように絶縁基板(2328)、導電性信号増幅層(2327)、多孔質または高密度であり得るセラミック電解質層(2324)、および対電極層(2326)を含む。 The sense element of FIG. 24 is similar to that of FIG. 23, but in this embodiment the catalyst layer (2322) does not completely enclose the underlying current collector layer (2336). The sense element of FIG. 24 also has an insulating substrate (2328), a conductive signal amplification layer (2327), a porous or dense ceramic electrolyte layer (2324), and a counter electrode layer (2326) as before. include.

最後に、図25のセンス素子には、集電体層(2436)を封入する(すなわち触媒と電解質(2424)の間にある)触媒層(2422)が含まれる。しかし、この実施形態では、第2の(対)電極(2426)は、対電極(2426)が電解質層(2424)と基板(2422)の間に位置するように、電解質層(2424)の下に埋設されている。従って、図25のセンス素子には、SALが含まれない。 Finally, the sense element of FIG. 25 includes a catalyst layer (2422) that encloses the current collector layer (2436) (ie, between the catalyst and the electrolyte (2424)). However, in this embodiment, the second (pair) electrode (2426) is below the electrolyte layer (2424) such that the pair electrode (2426) is located between the electrolyte layer (2424) and the substrate (2422). It is buried in. Therefore, the sense element of FIG. 25 does not include SAL.

実施例1および2
信号増幅層のセンサ性能への効果を、電解質層と基板との間に封入されているSALを含む1つのセンサを除いて構造が同一のセンサを用いて確定した。図12および13に示されるように、図1に示されるセンサと同様の2つのセンサが組み立てられた。従って、両方のセンサには、Al基板、同一のPt−BaWO/GDC活性電極層ならびにPt/GDC集電体および対電極層が含まれた。同一の処理方法が、これらの層の準備および積層に使用された。実施例1のセンサは、白金信号増幅層を含まずに作製したが、実施例2のセンサにはGDC電解質層と基板の間に白金信号増幅層が含められ、SALは完全に封入されていた(図13に見られる通り)。図12および13に示されるセンサ構造の寸法は縮尺通りではないことに留意する必要がある。電解質表面上の活性電極と対電極の間の隙間は約500ミクロンであったが、GDC電解質層の厚さ(および従って活性電極と埋設されている白金層との間の隙間)は約30ミクロンであった。
Examples 1 and 2
The effect of the signal amplification layer on the sensor performance was determined using sensors of the same structure except for one sensor containing the SAL encapsulated between the electrolyte layer and the substrate. As shown in FIGS. 12 and 13, two sensors similar to those shown in FIG. 1 were assembled. Thus, both sensors included an Al 2 O 3 substrate, the same Pt-BaWO 4 / GDC active electrode layer and a Pt / GDC current collector and counter electrode layer. The same treatment method was used to prepare and stack these layers. The sensor of Example 1 was manufactured without including the platinum signal amplification layer, but the sensor of Example 2 contained a platinum signal amplification layer between the GDC electrolyte layer and the substrate, and the SAL was completely enclosed. (As seen in FIG. 13). It should be noted that the dimensions of the sensor structure shown in FIGS. 12 and 13 are not on scale. The gap between the active electrode and the counter electrode on the electrolyte surface was about 500 microns, whereas the thickness of the GDC electrolyte layer (and thus the gap between the active electrode and the embedded platinum layer) was about 30 microns. Met.

実施例1および2のセンサを、センサを525℃の温度で維持して、77体積%のN、10体積%のO、8体積%のCO、5体積%のHOおよび1ppmのSOのベースラインの模擬ディーゼル排気ガス雰囲気に曝した。200mVの順(正)バイアスをPt/GDC集電体からPt/GDC対電極層に印加して、生じる電流を100オームのシャント抵抗器の両端の電圧を測定することによって求めた。ベースライン信号(ベースラインの模擬ディーゼル排気ガスだけに曝露)を測定し、同様に100ppmのNO、NOおよびNHを模擬排気ガスに添加した場合の信号(すなわち電流)も測定した。NO、NOおよびNHの100ppm曝露に対する感度を、分析物が存在する場合の電流信号の変化率として求めた。これらの試験の結果は図12および13に示され、その図では白金信号増幅層がベースライン信号を0.28から3.8μΑに増加させたことが分かる(10倍以上の増加)。その上、試験したガス種の各々に対する感度も大幅に増加し、それにより著しくより有用なセンサをもたらした。SALは横方向の電流路をもたらし、活性電極および対電極の領域を効果的に増加させた。従って、たとえ2つのさらなる電気化学的反応(GDC/Pt−SAL界面での酸素イオンの電子への変換およびPt−SAL/GDC界面での電子を酸素イオンに戻す変換)が起こらなければならないとしても、白金によって提供される横方向の電流路が電荷担体のより速い経路であることを想到することができる。 The sensors of Examples 1 and 2 were maintained at a temperature of 525 ° C., with 77% by volume N 2 , 10% by volume O 2 , 8% by volume CO 2 , 5% by volume H 2 O and 1 ppm. The SO 2 baseline was exposed to a simulated diesel exhaust atmosphere. A 200 mV forward bias was applied from the Pt / GDC current collector to the Pt / GDC counter electrode layer and the resulting current was determined by measuring the voltage across a 100 ohm shunt resistor. The baseline signal (exposed only to the simulated diesel exhaust at the baseline) was measured, as was the signal (ie, current) when 100 ppm NO, NO 2 and NH 3 were added to the simulated exhaust. The sensitivity of NO, NO 2 and NH 3 to 100 ppm exposure was determined as the rate of change of the current signal in the presence of the analyte. The results of these tests are shown in FIGS. 12 and 13, which show that the platinum signal amplification layer increased the baseline signal from 0.28 to 3.8 μA (more than 10-fold increase). Moreover, the sensitivity to each of the gas species tested has also increased significantly, resulting in significantly more useful sensors. SAL provided a lateral current path and effectively increased the active and counter electrode regions. Therefore, even if two additional electrochemical reactions (conversion of oxygen ions at the GDC / Pt-SAL interface to electrons and conversion of electrons at the Pt-SAL / GDC interface back to oxygen ions) must occur. It can be imagined that the lateral current path provided by platinum is the faster path of the charge carrier.

実施例3〜10
電極および集電体層の組成を変えることによってセンサの応答特性を調整する能力を、様々なセンサを作製し、模擬ディーゼル排気(ベースライン)ならびに100ppmのNO、NOまたはNHを含む模擬排気中でその性能を決定することによって実証した。実施例3〜10のセンサを、実施例2(すなわち、完全に封入されているPt SALを含む図1の構造)について上に記載されるように作製した。従って、共通の電解質層(24)はGDCであり、活性電極(22)、集電体(36)および対電極(26)層を、下の表1に報告されるように変化させた。集電体(36)から対電極(26)層に印加される順(正)バイアスでセンサを試験した。センサを、実施例1および2について上に記載されるように、525℃の温度で200mVのバイアス電圧で試験した。ベースラインガス雰囲気は、8体積%のCO、5%体積%のHO、1ppmのSO、10体積%のO、および77体積%のNからなり、それに添加された100ppmのNO、100ppmのNO、または100ppmのNHの分析物を含むベースライン雰囲気への曝露についてセンサ応答を測定した。結果は表2に要約され、その後の段落で説明される。
Examples 3-10
The ability to adjust the response characteristics of the sensor by changing the composition of the electrodes and current collector layer, made various sensors, simulated diesel exhaust (baseline) and simulated exhaust containing 100 ppm NO, NO 2 or NH 3. Demonstrated by determining its performance in. The sensors of Examples 3-10 were made as described above for Example 2 (ie, the structure of FIG. 1 containing the fully encapsulated Pt SAL). Therefore, the common electrolyte layer (24) was the GDC, and the active electrode (22), current collector (36) and counter electrode (26) layers were altered as reported in Table 1 below. The sensor was tested with the forward (positive) bias applied from the current collector (36) to the counter electrode (26) layer. The sensors were tested at a temperature of 525 ° C. with a bias voltage of 200 mV, as described above for Examples 1 and 2. The baseline gas atmosphere consists of 8% by volume CO 2 , 5% by volume H 2 O, 1 ppm SO 2 , 10% by volume O 2 , and 77% by volume N 2 , with 100 ppm added to it. Sensor responses were measured for exposure to a baseline atmosphere containing NO, 100 ppm NO 2 , or 100 ppm NH 3 analysts. The results are summarized in Table 2 and explained in subsequent paragraphs.

Figure 0006941373
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Figure 0006941373
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Pt−MgWO/GDC活性電極、Au/GDC集電体およびPt/ScSZ対電極を備える実施例3のセンサについて得た試験データを表2および図14に示す。200mVバイアスを525℃の温度で印加されて、このセンサは8.9μAのベースライン電流信号と、NOおよびNOに対する選択的検知挙動を示した(100ppmのNOおよび100ppmのNOに対して、それぞれ33%および43%の感度、そして100ppmのNHに対してわずか2%の感度)。NHに対する感度の欠如は図14にも見られ、図中、信号は、100ppmのNHがベースライン模擬ディーゼル排気に添加された場合に、ベースライン信号よりもごくわずかに高かった(8.9μAに対して9.1μA)。 The test data obtained for the sensor of Example 3 including the Pt-MgWO 4 / GDC active electrode, Au / GDC current collector and Pt / ScSZ counter electrode are shown in Table 2 and FIG. Applying a 200 mV bias at a temperature of 525 ° C., the sensor showed a baseline current signal of 8.9 μA and selective detection behavior for NO and NO 2 (for 100 ppm NO and 100 ppm NO 2) . 33% and 43% sensitivity, respectively, and only 2% sensitivity to 100 ppm NH 3). The lack of sensitivity to NH 3 was also seen in FIG. 14, where the signal was only slightly higher than the baseline signal when 100 ppm NH 3 was added to the baseline simulated diesel exhaust (8. 9.1 μA for 9 μA).

Pt−MgWO/GDC活性電極、Pt/SCSZ集電体およびPt/ScSZ対電極を備える実施例4のセンサについて得た試験データを表2および図15に示す。200mVバイアスを525℃の温度で印加されて、このセンサは6.5μAのベースライン電流信号と、NO、NOおよびNHに対する付加的検知挙動を示した(100ppmのNO、100ppmのNOおよび100ppmのNHに対して、それぞれ39%、31%および33%の割合の感度)。 The test data obtained for the sensor of Example 4 including the Pt-MgWO 4 / GDC active electrode, the Pt / SCSZ current collector and the Pt / ScSZ counter electrode are shown in Table 2 and FIG. Applying a 200 mV bias at a temperature of 525 ° C., the sensor showed a baseline current signal of 6.5 μA and additional detection behavior for NO, NO 2 and NH 3 (100 ppm NO, 100 ppm NO 2 and 39%, 31% and 33% sensitivities to 100 ppm NH 3 respectively).

Pt−BaWO/GDC活性電極、Au/GDC集電体およびPt/ScSZ対電極を備える実施例5のセンサについて得た試験データを表2および図16に示す。200mVバイアスを525℃の温度で印加されて、このセンサは5.4μAのベースライン電流信号と、NOおよびNO2に対する名目上選択的な検知挙動を示した(NHに対する49%の感度と比較して、それぞれ91%および108%の割合の感度)。従って、このセンサの活性電極のMgWOをBaWOで置き換えることにより、NO感度の相当な増加がもたらされたが、著しいNH応答も観察された。選択的NO検出についてこのセンサの有用性を改善するために、例えば活性電極および集電体層の厚さおよび/または多孔性を変更することによるか、または集電体層の組成を変えることなどによって、NH応答を減らす必要がある、 The test data obtained for the sensor of Example 5 including the Pt-BaWO 4 / GDC active electrode, the Au / GDC current collector and the Pt / ScSZ counter electrode are shown in Table 2 and FIG. The 200mV bias is applied at a temperature of 525 ° C., the sensor compares the baseline current signal 5.4Myuei, showed nominally selective detection behavior for NO and NO2 (49% sensitivity to NH 3 Sensitivity of 91% and 108%, respectively). Therefore, by replacing the MgWO 4 active electrodes of the sensor in BaWO 4, but considerable increase of the NO X sensitivity brought, it was also observed significant NH 3 response. For selective NO X detection in order to improve the usefulness of the sensor, for example, either by varying the thickness and / or porosity of the active electrode and the current collector layer, or varying the composition of the current collector layer the like, it is necessary to reduce the NH 3 response,

Pt−BaWO/GDC活性電極、Pt/SCSZ集電体およびPt/ScSZ対電極を備える実施例6のセンサについて得た試験データを表2および図17に示す。200mVバイアスを525℃の温度で印加されて、このセンサは3.8μAのベースライン電流信号と、NO、NOおよびNHに対する付加的検知挙動を示した(100ppmのNO、100ppmのNOおよび100ppmのNHに対して、それぞれ167%、164%および164%の感度)。従って、この付加的センサの活性電極のMgWOをBaWOで置き換えることにより、NOおよびNH感度の4倍の増加がもたらされた。 The test data obtained for the sensor of Example 6 including the Pt-BaWO 4 / GDC active electrode, the Pt / SCSZ current collector and the Pt / ScSZ counter electrode are shown in Table 2 and FIG. Applying a 200 mV bias at a temperature of 525 ° C., the sensor exhibited a 3.8 μA baseline current signal and additional detection behavior for NO, NO 2 and NH 3 (100 ppm NO, 100 ppm NO 2 and Sensitivity of 167%, 164% and 164% to 100 ppm NH 3 respectively). Therefore, by replacing the MgWO 4 active electrode of the additional sensor in BaWO 4, 4-fold increase of the NO X and NH 3 sensitivity brought.

MgWO/GDC活性電極(活性電極に白金を含まない)、Pt/SCSZ集電体およびPt/ScSZ対電極を備える実施例7のセンサについて得た試験データを表2に示す。200mVバイアスを525℃の温度で印加されて、このセンサは0.85μAの非常に低いベースライン電流信号と、比較的低い最適よりも低い付加的感度を示した(100ppmのNO、100ppmのNOおよび100ppmのNHに対して、それぞれ21%、13%および21%の感度)。データは、より望ましいNOおよびNH検知挙動を得るために、白金(または別の金属)を活性電極に含めることの利点を示す。 Table 2 shows the test data obtained for the sensor of Example 7 including the MgWO 4 / GDC active electrode (the active electrode does not contain platinum), the Pt / SCSZ current collector and the Pt / ScSZ counter electrode. Applying a 200 mV bias at a temperature of 525 ° C., the sensor showed a very low baseline current signal of 0.85 μA and an additional sensitivity lower than the relatively low optimum (100 ppm NO, 100 ppm NO 2). And 21%, 13% and 21% sensitivity to 100 ppm NH 3). Data, in order to obtain a more desirable NO X and NH 3 detection behavior, shows the benefits of the inclusion of platinum (or other metal) to the active electrode.

Pt−MgWO/GDC活性電極、白金集電体および白金対電極(集電体または対電極にScSZまたはGDCを含まない)を備える実施例8のセンサについて得た試験データを表2に示す。200mVバイアスを525℃の温度で印加されて、このセンサは、0.14μΑの非常に減少したベースライン電流信号と、100ppmのNO、100ppmのNOおよび100ppmのNHに対して、それぞれ6%、7%および1%の非常に低い感度を示した。データは、電解質材料(例えば、ScSZまたはGDC)を集電体および対電極層に含めることの(少なくともこの特定のセンサ構成および活性電極材料に関しての)利点を示す。 Table 2 shows test data obtained for the sensor of Example 8 provided with a Pt-MgWO 4 / GDC active electrode, a platinum current collector and a platinum counter electrode (collector or counter electrode does not contain ScSZ or GDC). Applying a 200 mV bias at a temperature of 525 ° C., the sensor was 6% each for a very reduced baseline current signal of 0.14 μA and 100 ppm NO, 100 ppm NO 2 and 100 ppm NH 3. , 7% and 1% showed very low sensitivity. The data show the advantages (at least for this particular sensor configuration and active electrode material) of including the electrolyte material (eg ScSZ or GDC) in the current collector and counter electrode layer.

Pt−MgWO/GDC活性電極、Au/GDC集電体およびAu/GDC対電極を備える実施例9のセンサについて得た試験データを表2に示す。200mVバイアスを525℃の温度で印加されて、このセンサは、9.4μΑの比較的高いベースライン電流信号と、100ppmのNO、100ppmのNOおよび100ppmのNHに対して、それぞれ23%、45%および30%の感度を示した。従って、対電極のPt/ScSZをAu/GDCで置き換えることにより、実施例3と比較して選択性が低下し、従って、センサ応答を操作する目的でサーメット対電極に使用される金属を変えることの効果、ならびにこの特定のセンサ構成および活性電極材料に関して、サーメット対電極に金よりもむしろ白金を使用することの利点を示した。 Table 2 shows the test data obtained for the sensor of Example 9 including the Pt-MgWO 4 / GDC active electrode, the Au / GDC current collector and the Au / GDC counter electrode. Applying a 200 mV bias at a temperature of 525 ° C., the sensor has a relatively high baseline current signal of 9.4 μA and 23% for 100 ppm NO, 100 ppm NO 2 and 100 ppm NH 3, respectively. It showed a sensitivity of 45% and 30%. Therefore, replacing Pt / ScSZ of the counter electrode with Au / GDC reduces selectivity as compared to Example 3, and thus changing the metal used for the cermet counter electrode for the purpose of manipulating the sensor response. And with respect to this particular sensor configuration and active electrode material, the advantages of using platinum rather than gold for the cermet counter electrode were shown.

Pt−MgWO/GDC活性電極、Pt/ScSZ集電体およびAu/GDC対電極を備える実施例10のセンサについて得た試験データを表2に示す。200mVバイアスを525℃の温度で印加されて、このセンサは、4.7μΑのベースライン電流信号と、100ppmのNO、100ppmのNOおよび100ppmのNHに対して、それぞれ95%、108%および181%の割合の感度を示した。従って、対電極のPt/ScSZをAu/GDCで置き換えることにより、付加的挙動が失われ、この特定のセンサ構成および活性電極材料に関して、白金(金ではない)がサーメット対電極に存在することが好ましいことを再び確認した。 Table 2 shows the test data obtained for the sensor of Example 10 including the Pt-MgWO 4 / GDC active electrode, the Pt / ScSZ current collector and the Au / GDC counter electrode. Applying a 200 mV bias at a temperature of 525 ° C., the sensor is 95%, 108% and 95% and 108% for a baseline current signal of 4.7 μA and 100 ppm NO, 100 ppm NO 2 and 100 ppm NH 3, respectively. It showed a sensitivity of 181%. Therefore, by replacing the counter electrode Pt / ScSZ with Au / GDC, additional behavior is lost and platinum (not gold) may be present in the cermet counter electrode for this particular sensor configuration and active electrode material. It was confirmed again that it was preferable.

実施例11および12
本明細書に記載されるセンサがどのようにアンモニア検出に適合させることができるかの証明が実施例11および12に説明される。センサを、実施例2(すなわち、完全に封入されているPt SALを含む図1の構造)について上に記載されるように作製した。図18および19に示されるように、センサは、Al基板、Pt−MgWO/GDC活性電極層、Au/GDC集電体層およびPt/GDC対電極層を用いた。また、以前の実施例と比較して、Pt−MgWO/GDC、Pt/GDCおよびAu/GDC層をより高い表面積の構成要素およびより高いアニーリング温度で作製し、これによりこれらの層の密度(および耐久性)が増加した。
Examples 11 and 12
Demonstrations of how the sensors described herein can be adapted for ammonia detection are described in Examples 11 and 12. The sensor was made as described above for Example 2 (ie, the structure of FIG. 1 containing a fully encapsulated Pt SAL). As shown in FIGS. 18 and 19, the sensor used was an Al 2 O 3 substrate, a Pt-MgWO 4 / GDC active electrode layer, an Au / GDC current collector layer and a Pt / GDC counter electrode layer. Also, compared to previous examples, Pt-MgWO 4 / GDC, Pt / GDC and Au / GDC layers were made with higher surface area components and higher annealing temperatures, thereby producing the density of these layers ( And durability) increased.

センサを525℃で8体積%のCO、5%体積%のHO、1ppmのSO、2〜20体積%のO、および67〜85体積%のNからなるベースラインガス雰囲気中で試験し、センサ応答も100ppmのNO、100ppmのNO、または100ppmのNHの分析物への曝露について−200から+200mVに及ぶバイアス電圧で観察した。200mVの順バイアスによって得たデータを図18に示す。順バイアスモード(すなわち、酸素イオンが活性電極で生成され、電解質を通って対電極に伝導される)で試験した場合、センサは酸素に対して交差感受性が高く、NOおよびNOに対する応答は正の数であって同じでなく(それぞれ33%および108%の割合)、NHに対する応答は大きい負の数であり(−86%)、酸素含有量は5体積%であった。 A baseline gas atmosphere consisting of 8% by volume CO 2 , 5% by volume H 2 O, 1 ppm SO 2 , 2 to 20% by volume O 2 , and 67 to 85% by volume N 2 at 525 ° C. Tested in, sensor responses were also observed for exposure to 100 ppm NO, 100 ppm NO 2 , or 100 ppm NH 3 analysts at bias voltages ranging from -200 to +200 mV. The data obtained by the forward bias of 200 mV is shown in FIG. When tested in forward bias mode (ie, oxygen ions are generated in the active electrode and conducted through the electrolyte to the counter electrode), the sensor is highly cross-sensitive to oxygen and the response to NO and NO 2 is positive. The numbers were not the same (33% and 108%, respectively), the response to NH 3 was a large negative number (-86%), and the oxygen content was 5% by volume.

−200mVの逆バイアスによって得たデータを図19に記載する。逆バイアスモード(すなわち、酸素イオンが対電極で生成され、電解質を通って活性電極に伝導される)で試験した場合、センサは酸素に対してわずかに交差感受性であり、酸素、NOおよびNO応答はわずかに正の数であり(それぞれ、31%および25%)、NH応答も大きい正の数であった(267%)。 The data obtained by the reverse bias of −200 mV is shown in FIG. When tested in reverse bias mode (ie, oxygen ions are generated at the counter electrode and conducted through the electrolyte to the active electrode), the sensor is slightly cross-sensitive to oxygen, oxygen, NO and NO 2. response is the number of slightly positive (respectively, 31% and 25%) and a number of NH 3 response is large positive (267%).

異なる逆バイアス電圧での(525℃での)、酸素含有量のNOおよびNH応答への影響を図20に示す。低いバイアス電圧(−30および−80mV)で、NH応答は酸素に対してわずかに交差感受性であり、酸素含有量が高いほど信号強度は低かった。しかし、高いバイアス電圧(−140および−200mV)では、NH感度は酸素含有量に対して非感受性であった。NHに対する非常に高い感度(NOと比較)と酸素に対する非感受性を組み合わせることは、独立型NHセンサとして、またはデュアルNO/NHセンサのNH選択的セルとしての使用に有利である。 Different reverse bias voltage (at 525 ° C.), shown in Figure 20 the influence of the NO X and NH 3 responses oxygen content. At low bias voltage (-30 and -80 mV), NH 3 response is slightly cross-sensitive to oxygen, the more the signal intensity oxygen content is high was low. However, at high bias voltages (-140 and -200 mV), NH 3 sensitivity was insensitive to oxygen content. The combination of very high sensitivity to NH 3 (compared to NO X ) and insensitivity to oxygen is advantageous for use as a stand-alone NH 3 sensor or as a dual NO X / NH 3 sensor NH 3 selective cell. be.

センサの様々な実施形態、ならびにセンサの製造および使用方法が上で詳細に説明されたが、構成要素、特徴および構成、ならびに装置を製造する方法および本明細書に記載される方法は、本明細書に記載される特定の実施形態に制限されないことは当然理解される。例えば、上の1つの実施形態の状況において説明される構成要素、特徴、構成、および製造または使用方法は、その他の実施形態のいずれにも組み込まれてよい。さらに、下に記載されるさらなる説明に限定されないが、追加および代わりの適した構成要素、特徴、構成、および装置を使用する方法、ならびに本明細書の教示を組み合わせて交換する様々な方法は、本明細書の教示を考慮すれば当業者には明らかであろう。 Although various embodiments of the sensor, as well as how the sensor is manufactured and used, have been described in detail above, the components, features and configurations, as well as the method of manufacturing the device and the methods described herein are described herein. It is of course understood that the specification is not limited to the particular embodiments described in the document. For example, the components, features, configurations, and manufacturing or usage described in the context of one embodiment above may be incorporated into any of the other embodiments. Further, but not limited to the further description described below, additional and alternative suitable components, features, configurations, and methods of using the device, as well as various methods of exchanging the teachings herein in combination. It will be apparent to those skilled in the art in light of the teachings herein.

本開示において様々な実施形態を示し、説明してきたが、本明細書に記載される方法、システムおよび装置のさらなる変更および適合化は、本開示の範囲を逸脱することなく当業者によって達成されてよい。そのような可能な変更のいくつかは言及され、そしてその他は当業者に明白であろう。従って、本発明の範囲は、以下の特許請求の範囲に関して考慮されるべきであり、明細書および図面に示され、説明される構造および動作の詳細に制限されないことが理解される。 Although various embodiments have been shown and described herein, further modifications and adaptations of the methods, systems and devices described herein have been accomplished by one of ordinary skill in the art without departing from the scope of this disclosure. good. Some of such possible changes will be mentioned, and others will be apparent to those skilled in the art. Therefore, it is understood that the scope of the invention should be considered with respect to the following claims and is not limited to the structural and operational details shown and described in the specification and drawings.

Claims (21)

ガス試料またはガス流中の1以上の標的ガス種の濃度を測定するためのアンペロメトリック電気化学センサであって、前記センサは、
第1および第2の表面電極;
酸素イオン伝導性の固体電解質層;
導電性の受動的な信号増幅層(「SAL」);及び
電気バイアスを、前記SALには加えないが、前記第1および第2の表面電極間に加えるためのバイアス源;
を有する少なくとも1個の電気化学セル
を備え、前記第1および第2の表面電極は前記電解質層の同じ面の上に位置し、前記電解質層の少なくとも一部分は前記表面電極と前記SALとの間に位置し、その結果前記SALは前記電解質層と直接導電接触しているが前記表面電極とは直接接触していない、センサ。
An amperometric electrochemical sensor for measuring the concentration of one or more target gas species in a gas sample or gas stream, said sensor.
First and second surface electrodes;
Oxygen ion conductive solid electrolyte layer;
A conductive passive signal amplification layer (“SAL”); and a bias source for applying no electrical bias to the SAL but between the first and second surface electrodes;
The first and second surface electrodes are located on the same surface of the electrolyte layer, and at least a part of the electrolyte layer is between the surface electrode and the SAL. The sensor is located in, so that the SAL is in direct conductive contact with the electrolyte layer but not with the surface electrode.
前記第1の表面電極が、少なくとも1つのモリブデン酸塩またはタングステン酸塩化合物を含み、さらに前記少なくとも1つのモリブデン酸塩またはタングステン酸塩化合物が、A(Mo(1−Z)(X+3Y)(式中、XおよびYは、各々独立に1〜5の整数から選択され、0≦Z≦1であり、Aは、Mg、Zn、Ni、Co、Fe、Mn、Cu、Ca、Sr、Ba、およびPbの1以上である)を含む、請求項1に記載のセンサ。 Said first surface electrode comprises at least one molybdate or tungstate compound, further wherein said at least one molybdate or tungstate compound, A X (Mo (1- Z) W Z) Y O (X + 3Y) (In the formula, X and Y are independently selected from integers 1 to 5, 0 ≦ Z ≦ 1, and A is Mg, Zn, Ni, Co, Fe, Mn, Cu, The sensor of claim 1, comprising (one or more of Ca, Sr, Ba, and Pb). 前記少なくとも1つのモリブデン酸塩またはタングステン酸塩化合物が、MgMoO、MgWO、BaWOまたはCoWOを含む、請求項2に記載のセンサ。 The sensor according to claim 2, wherein the at least one molybdate or tungstate compound comprises MgMoO 4 , MgWO 4 , BaWO 4 or CoWO 4. 前記第1の表面電極が、(a)少なくとも1つのモリブデン酸塩またはタングステン酸塩化合物;および(b)少なくとも1つのセラミック電解質材料:の複合混合物を含む、請求項2または3に記載のセンサ。 The sensor according to claim 2 or 3, wherein the first surface electrode comprises a composite mixture of (a) at least one molybdate or tungstate compound; and (b) at least one ceramic electrolyte material. 前記第1の表面電極が、約0.1重量%〜10重量%の、Pt、Pd、Rh、Ru、Ir、およびそれらの合金または混合物からなる群から選択される少なくとも1つの金属をさらに含む、請求項4に記載のセンサ。 Said first surface electrode further comprises from about 0.1 wt% to 10 wt%, Pt, Pd, Rh, Ru, Ir, and at least one metal selected from the group consisting of an alloy or a mixture , The sensor according to claim 4. 前記第1の表面電極が、セラミック相および金属相を備える、請求項1に記載のセンサ。 The sensor according to claim 1, wherein the first surface electrode includes a ceramic phase and a metal phase. 前記第1の表面電極の前記セラミック相が、ジルコニア系電解質材料、セリア系電解質材料、酸化ビスマス系電解質材料、酸化ランタンガリウム系電解質材料、酸化アルミニウムまたは酸化マグネシウム、またはその混合物を含み、前記金属相が、Ag、Pt、Pd、Rh、RuおよびIr、あるいはそれらの合金または混合物を含む、請求項6に記載のセンサ。 The ceramic phase of the first surface electrode contains a zirconia-based electrolyte material, a ceria-based electrolyte material, a bismuth oxide-based electrolyte material, a lanthanum gallium oxide-based electrolyte material, aluminum oxide or magnesium oxide, or a mixture thereof, and the metal phase. 6. The sensor of claim 6, wherein the sensor comprises Ag, Pt, Pd, Rh, Ru and Ir, or an alloy or mixture thereof. 前記第2の表面電極が、
−Ag、Au、Pt、Pd、Rh、Ru、Irおよびそれらの合金または混合物からなる群から選択される金属;
−導電性ペロブスカイト;および
−金属とセラミックのサーメット
からなる群から選択される、請求項1〜7のいずれか一項に記載のセンサ。
The second surface electrode
-Ag, metal selected Au, Pt, Pd, Rh, Ru, from the group consisting of Ir and their alloys or mixtures thereof;
The sensor according to any one of claims 1 to 7, selected from the group consisting of − conductive perovskite; and − metal and ceramic cermets.
前記第2の表面電極が、(a)白金または金;および(b)ガドリニウムをドープしたセリア(「GDC」)、サマリウムをドープしたセリア(「SDC」)、ジルコニウムをドープしたセリア(「ZDC」)、イットリウム安定化ジルコニア(「YSZ」)、またはスカンジウム安定化ジルコニア(「ScSZ」):のサーメットを含む、請求項8に記載のセンサ。 The second surface electrode is (a) platinum or gold; and (b) gadolinium-doped ceria (“GDC”), samarium-doped ceria (“SDC”), zirconium-doped ceria (“ZDC”). ), Yttria-stabilized zirconia (“YSZ”), or scandium-stabilized zirconia (“ScSZ”): the sensor of claim 8. 前記第1および第2の表面電極の少なくとも一方の上の集電層をさらに含み、前記集電層が、
−白金、パラジウム、金、銀、ならびに白金、パラジウム、金および銀の2以上の合金からなる群から選択される貴金属;
−白金、パラジウム、金または銀と、1以上の卑金属の合金;あるいは、
−白金、パラジウム、金または銀とセラミック電解質材料のサーメット
を含む、請求項1〜9のいずれか一項に記載のセンサ。
It further comprises a current collector layer on at least one of the first and second surface electrodes, the current collector layer.
-Precious metals selected from the group consisting of platinum, palladium, gold and silver, and two or more alloys of platinum, palladium, gold and silver;
-Alloys of platinum, palladium, gold or silver and one or more base metals; or
-The sensor of any one of claims 1-9, comprising cermet of platinum, palladium, gold or silver and a ceramic electrolyte material.
前記集電層の各々が、(a)白金または金;および(b)GDC、SDC、ZDC、YSZまたはScSZ:のサーメットを含む、請求項10に記載のセンサ。 The sensor according to claim 10, wherein each of the current collector layers comprises (a) platinum or gold; and (b) a cermet of GDC, SDC, ZDC, YSZ or ScSZ :. 前記それぞれの第1および第2の表面電極、電解質層およびSALを支持する基板をさらに含み、前記基板が、絶縁セラミック、絶縁材料で被覆した金属、および絶縁材料で被覆したサーメットからなる群から選択され、前記SALが、前記電解質層と前記基板との間に位置する、請求項1〜11のいずれか一項に記載のセンサ。 Select from the group consisting of an insulating ceramic, a metal coated with an insulating material, and a cermet coated with an insulating material, further comprising a substrate supporting each of the first and second surface electrodes, an electrolyte layer and SAL. The sensor according to any one of claims 1 to 11, wherein the SAL is located between the electrolyte layer and the substrate. 前記SALが、前記電解質層と前記基板との間に完全に封入されている、請求項12に記載のセンサ。 12. The sensor of claim 12, wherein the SAL is completely encapsulated between the electrolyte layer and the substrate. 前記それぞれの第1および第2の表面電極、電解質層およびSALを支持する基板をさらに含み、前記基板が、絶縁セラミック、絶縁材料で被覆した金属、および絶縁材料で被覆したサーメットからなる群から選択され、前記SALが、前記電解質層の中に位置する、請求項1〜11のいずれか一項に記載のセンサ。 Select from the group consisting of an insulating ceramic, a metal coated with an insulating material, and a cermet coated with an insulating material, further comprising the respective first and second surface electrodes, an electrolyte layer and a substrate supporting the SAL. The sensor according to any one of claims 1 to 11, wherein the SAL is located in the electrolyte layer. 前記SALが、Pt、Pd、Au、Ag、ならびにPt、Pd、AuおよびAgの2以上の合金;導電性セラミック;および導電性サーメットからなる群から選択される材料を含む、請求項1〜14のいずれか一項に記載のセンサ。 Claims 1-14, wherein the SAL comprises a material selected from the group consisting of Pt, Pd, Au, Ag, and two or more alloys of Pt, Pd, Au and Ag; conductive ceramics; and conductive cermets. The sensor according to any one of the above. 前記SALが、白金から本質的になる、請求項15に記載のセンサ。 The sensor according to claim 15, wherein the SAL is essentially made of platinum. ガス試料またはガス流中の2以上の標的ガス種の濃度を測定するためのアンペロメトリック電気化学センサシステムであって、前記センサシステムが、請求項1〜16のいずれか一項に記載の電気化学セルである第1の電気化学セルと、第1および第2の表面電極を電解質層の上に含む第2の電気化学セルを含む、センサシステム。 A amperometric electrochemical sensor system for measuring two or more target gas species concentrations in the gas sample or gas stream, wherein the sensor system, electric according to any one of claims 1 to 16 A sensor system comprising a first electrochemical cell, which is a chemical cell, and a second electrochemical cell containing first and second surface electrodes on an electrolyte layer. 前記第2の電気化学セルが、請求項1〜16のいずれか一項に記載のセンサを含む、請求項17に記載のセンサシステム。 17. The sensor system of claim 17, wherein the second electrochemical cell comprises the sensor of any one of claims 1-16. 前記第1および第2の電気化学セルが、共通の電解質層、共通の第2の表面電極および共通のSALの少なくとも1つを共有する、請求項17または18に記載のセンサシステム。 The sensor system according to claim 17 or 18, wherein the first and second electrochemical cells share at least one of a common electrolyte layer, a common second surface electrode and a common SAL. ガス試料またはガス流中の1以上の標的ガス種の濃度を検出する方法であって、
(a)請求項1〜19のいずれか一項に記載の前記センサまたはセンサシステムを、前記1または複数の電気化学セルが前記ガス試料またはガス流に曝露されるように配置するステップと;
(b)1または複数のバイアスを前記1または複数の電気化学セルに印加するステップと;
(c)前記電気化学セルの前記第1および第2の表面電極間にもたらされる1または複数の電流を測定するステップと;
(d)前記測定した1または複数の電流に基づいて、1以上の標的ガス種の濃度を求めるステップと
を含む、方法。
A method of detecting the concentration of one or more target gas species in a gas sample or gas stream.
(A) The step of arranging the sensor or sensor system according to any one of claims 1 to 19 such that the one or more electrochemical cells are exposed to the gas sample or stream;
(B) With the step of applying one or more biases to the one or more electrochemical cells;
(C) With the step of measuring one or more currents generated between the first and second surface electrodes of the electrochemical cell;
(D) A method comprising the step of determining the concentration of one or more target gas species based on the measured one or more currents.
前記1以上の標的ガス種が、NOおよび/またはNHである、請求項20に記載の方法。 The method of claim 20, wherein the one or more target gas species is NO x and / or NH 3.
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