[发明专利]具有相同材料的电极的传感器

说明书

技术领域

本公开一般而言涉及传感器，更具体而言，涉及具有相同材料的电极的传感器。

背景技术

由碳氢化合物燃料的燃烧产生的废气的组成是氧化物气体(NO_X、SO_X、CO₂、CO、H₂O)、未燃的碳氢化合物和氧气的复杂混合物。对这些单独的废气成分的浓度的实时测量可以有助于改善燃烧效率和污染气体的较低排放。现有技术公开了被配置为测量不同废气成分的浓度的多种传感器。通常，这些传感器包括能斯脱(Nernstian)(也称为平衡传感器)和非能斯脱传感器(也称为不平衡传感器)。

在能斯脱传感器中，参考电极和感测电极被暴露到不同的环境。这些不同的环境可以为包含具有不同浓度的要测量的化学物类(不同气体)的气体的环境。当这两个电极被暴露到不同的环境时，在电极之间产生电压。该电压被用作化学物类的浓度的指示物。在这些传感器中，所测量到的电压遵循能斯脱方程(Nernst equation)。在能斯脱传感器中，参考电极和感测电极都可由相同或不同材料制成，并且它们之间的电压是由两个电极之间的由于每个电极被暴露到的不同环境引起的电化学活性的差异而产生的。

在非能斯脱传感器中，由不同材料制成的参考电极和感测电极都被暴露到相同或不同的环境，并且在两个电极之间测量到电压(其指示出电化学物类的浓度)。在这些传感器中，跨过这两个电极测量到的电位不遵循能斯脱方程。在非能斯脱传感器中，电压是由于在相同气体和不同电极材料之间的电化学活性的差异而产生的。

非能斯脱传感器被用于检测和测量各种可氧化的气体(CO、NO等等)和可还原的气体(O₂、NO₂等等)。典型的非能斯脱传感器包括诸如氧化钇稳定化的氧化锆(YSZ)的离子导电的电解质、参考电极和感测电极。这两个电极典型地由不同的材料制成，所述不同的材料可包括诸如铂(pt)的各种金属和各种钙钛矿型金属氧化物。在这两个电极处的气体/电极/电解质界面处发生的还原/氧化反应的差别可诱导这两个电极之间的电位差。在气体/电极/电解质界面(三相边界)处的这些还原/氧化反应(氧化还原反应)在本文中通常被称为电化学活性。本领域中公知的非能斯脱传感器的一些问题包括由信号漂移和保持原始参考电压的困难而导致的低灵敏度。

在2001年8月14日授权的Hasei等人的美国专利6,274,016(’016专利)公开了一种具有对NO_x的高灵敏度的NO_x传感器。’016专利的传感器包括形成在氧化锆固体电解质基底上的参考和感测电极。’016专利的传感器的灵敏度通过如下方式而得到提高：由铂制成参考电极，并通过在铂层上层压铑层和在经层压的电极中分散氧化锆而制成感测电极。虽然’016专利的传感器的灵敏度通过对电极材料的特定选择而得到提高，但该传感器具有以上讨论的其他缺点中的一些缺点。所公开的传感器组件旨在克服上述缺点和/或在现有技术中的其他缺点。

发明内容

在一个方面中，公开了一种用于监测气体中的成分的浓度的传感器。所述传感器包括离子导电层和耦合到所述离子导电层的感测电极。所述感测电极被暴露到气体。所述传感器还可包括参考电极，所述参考电极被暴露到所述气体并由与所述感测电极基本上相同的材料制成。

在另一方面中，公开了一种制造传感器的方法。所述方法可包括在离子导电的基底上产生感测电极，并在所述离子导电基底上产生参考电极。所述感测电极和所述参考电极可以由相同的材料制成并具有不同的微观结构。所述方法还可包括将所述感测电极和所述参考电极定位为使得所述参考电极和所述感测电极在所述传感器的操作期间都被暴露到相同的气体。

在又一方面中，公开了一种使用传感器测量气体的成分的方法。所述方法包括将所述气体导引到感测电极之上，所述感测电极被耦合到离子导电基底。所述感测电极和所述参考电极可以由相同的材料制成并具有不同的微观结构。所述方法还可包括测量跨过所述感测电极和所述参考电极的电压。所述电压指示出所述成分的浓度。

附图说明

图1为本公开的示例性传感器的示意图；

图2为本公开的示例性传感器组件的截面示例；

图3A为图2的传感器组件的示例性集成传感器的示例；

图3B为在图2的集成传感器中所包括的加热部件和两个感测部件的示意性示例

图4为示例出图2的传感器组件的感测部件的制造的示例性方法的流程图；

图5A为图2的传感器组件的感测电极的扫描电子显微镜(SEM)图像；以及