DE69720330T2

DE69720330T2 - Gassensor

Info

Publication number: DE69720330T2
Application number: DE69720330T
Authority: DE
Inventors: Satoshi Higashinakagawa; Mitsuhito Kamei; Hiroshi Maekawa; Tadao Minagawa; Chieko Nishida; Takahiro Ohno; Shigemitsu Okabe; Shiro Yamauchi
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 1996-07-12
Filing date: 1997-07-07
Publication date: 2003-12-11
Anticipated expiration: 2017-07-08
Also published as: CN1080885C; CN1174993A; EP0818677A1; EP0818677B1; DE69720330D1; US5876578A; JPH1026602A; JP3340028B2

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Gebiet der Erfindung

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Gassensor zum Erfassen von Spuren eines Gasbestandteils und bezieht sich insbesondere auf einen Gassensor, der ein zersetztes Gas erfasst, das aus einer Zersetzung von SF&sub6; aufgrund einer Entladung stammt, die im Inneren einer gasisolierten elektrischen Vorrichtung stattgefunden hat.

Beschreibung des verwandten Stands der Technik

Fig. 13 zeigt einen beispielhaften herkömmlichen Gassensor, der in der japanischen Offenlegungsschrift Nr. 62-207952 beschrieben ist. In dieser Figur besteht eine Erfassungselektrode 1 aus einem Gemisch eines Metallhalogenids und eines metallionenleitfähigen Festkörperelektrolyts und ist so aufgebaut, dass das zu erfassenden Gas damit in Berührung kommen kann. Ein Festkörperelektrolyt 2 ist ein Massivleiter für Metallionen. In diesem veranschaulichenden Beispiel ist das Metall Ag, das Metallion Ag&spplus;, und der Festkörperelektrolyt ist ein Massivleiter für Ag&spplus;-Ionen. Eine Gegenelektrode 3 besteht aus einem Gemisch aus einem Metallhalogenid, einem Metall und einem metallionenleitfähigen Festkörperelektrolyt. Leitungsdrähte 5-1 und 5-2, die an jeder Elektrode 1 und 3 befestigt sind, sind an ein Voltmeter mit einem hohen Innenwiderstand angeschlossen.
Der Betrieb des wie oben aufgebauten und auf eine gasisolierte elektrische Vorrichtung angewandten Gassensors wird nachstehend beschrieben. In der oben erwähnten Veröffentlichung wird erklärt, dass der Gasbestandteil, der aus einer Zersetzung von SF&sub6; durch Entladung stammt, F&sub2; ist, im allgemeinen wird aber angenommen, dass es sich um HF handelt. Angenommen, das durch die Entladung erzeugte Gas ist HF, findet an der Erfassungselektrode 1 folgende Reaktion statt:
2HF (an der Erfassungselektrode) + 2Ag&spplus; (am Festkörperelektrolyt) + 2e&supmin; (am Metall) → 2AgF + H&sub2;.
Andererseits findet an der Gegenelektrode 3 folgende Reaktion statt:
2AgF (an der Gegenelektrode) → F&sub2; (an der Gegenelektrode) + 2Ag&spplus; (am Festkörperelektrolyt) + 2e&supmin; (am Metall).
Die Zusammensetzung ist so eingestellt, dass die Aktivität (der Teildruck) von F&sub2;, der an der Gegenelektrode 3 erzeugt wird, konstant wird. Die elektromotorische Kraft zwischen der Erfassungselektrode 1 und der Gegenelektrode 3 wird durch die folgende Gleichung dargestellt, die der Nernst-Gleichung entspricht:
E = A + BlogPHF
worin E: die elektromotorische Kraft ist,
A, B: Konstanten sind,
PHF: der erfassungselektrodenseitige Teildruck von HF ist.
Wenn dementsprechend das Verhältnis zwischen dem Teildruck von HF (PHF) und der elektromotorischen Kraft (E) zuvor bestimmt wird, kann der Teildruck von HF, d. h. die Konzentration des durch Entladung erzeugten zersetzten Gases bestimmt werden, indem E zum Zeitpunkt der Messung gemessen wird.
Eines der Probleme des herkömmlichen Gassensors mit den zuvor erwähnten Merkmalen ist, dass er nicht wiederholt verwendet werden kann, da das Material der Erfassungselektrode 1 mit dem zu erfassenden Gas reagiert und ein Reaktionsprodukt bildet. Das heißt, wenn Wasserstofffluorid (HF), welches das Gas ist, das sich aus der Zersetzung durch Entladung ergibt, mit der aus Silber (Ag) bestehenden Erfassungselektrode 1 erfasst wird, wird, da das sich ergebende Silberfluorid (AgF) eine stabile Verbindung ist, selbst wenn die Konzentration des zu erfassenden Gases (HF) gesenkt ist, die Ausgangsspannung nicht entsprechend herabgesetzt, sondern behält den Signalpegel der höchsten Gaskonzentration bei, was der Grund dafür ist, dass es unmöglich war, die Messung durchzuführen, die im Ansprechen auf die Abnahme der Konzentration erfolgen kann.
Da auch der Ausgang als Ergebnis der natürlichen Reaktion zwischen dem zu erfassenden Gas (HF) und der aktiven Elektrodensubstanz (Ag&spplus;-Ion) auf der Elektrode erzeugt wird, ist die für die Reaktion benötigte Zeit lang, manchmal beträgt die Ansprechzeit einige Stunden oder mehr, weshalb die Erfassung nicht schnell vonstatten gehen kann, und dies war ein weiteres Problem des herkömmlichen Gassensors.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Die vorliegende Erfindung wurde gemacht, um die vorstehend erwähnten Probleme zu lösen, und ihre Aufgabe ist es, einen Gassensor bereitzustellen, der wiederholt zur Messung selbst einer niedrigen Konzentration verwendet werden kann, der über ein schnelles Ansprechen verfügt, und der lange Zeit mit hoher Beständigkeit eingesetzt werden kann. Die Erfindung ist wie in Anspruch 1 definiert.
Ein Gassensor nach der vorliegenden Erfindung umfasst einen Festkörperelektrolyt, eine Erfassungselektrode, die in Kontakt mit einer der Flächen des vorgenannten Festkörperelektrolyts vorgesehen und einem zu erfassenden Gas ausgesetzt ist, eine Gegenelektrode, die in Kontakt mit der anderen Fläche des vorgenannten Festkörperelektrolyts vorgesehen ist, und Leitungsdrähte, um eine elektrische Spannung an die vorgenannten Elektroden anzulegen oder elektrische Signale abzuleiten, bei dem eine inaktive Substanz, die mit dem zu erfassenden Gas kaum ein Reaktionsprodukt bildet, als Material zur Ausbildung der beiden vorgenannten Elektroden verwendet wird.
In einem Gassensor nach der vorliegenden Erfindung kann Au oder Kohlenstoff als Material verwendet werden, um die beiden vorgenannten Elektroden auszubilden.
In einem Gassensor nach der vorliegenden Erfindung können die beiden vorgenannten Elektroden aus einer dünnen Au- oder Kohlenstoffschicht bestehen, und die Dicke der dünnen Schicht kann zwischen 20 und 30 nm betragen.
In einem Gassensor nach der vorliegenden Erfindung können die beiden vorgenannten Elektroden aus einer gemischten Schicht aus fein verteilten Au- oder Kohlenstoffpartikeln und fein verteilten Partikeln eines Festkörperelektrolyts bestehen.
In einem Gassensor nach der vorliegenden Erfindung kann der Festkörperelektrolyt eine fluorionenleitfähige Substanz sein.
In einem Gassensor nach der vorliegenden Erfindung kann der Festkörperelektrolyt ein LaF&sub3;-Monokristall sein, dem Europium oder Barium hinzugefügt ist.
In einem Gassensor nach der vorliegenden Erfindung kann die Erfassungselektrode in mehrere Teile aufgeteilt sein.
In einem Gassensor nach der vorliegenden Erfindung können Einrichtungen zum Entziehen eines Reaktionsprodukts, das auf der Elektrode entsteht, in unmittelbarer Nähe der Elektrode vorgesehen sein.
In einem Gassensor nach der vorliegenden Erfindung können Wasserstoffgasentzugsmittel oder Fluorgasentzugsmittel als Reaktionsproduktentzugsmittel vorgesehen sein.
In einem Gassensor nach der vorliegenden Erfindung kann eine elektrochemische Zelle, die einen wasserstoffionenleitfähigen Festkörperelektrolyt mit Elektroden umfasst, die auf zwei Flächen desselben befestigt sind, oder eine wasserstoffokkludierende Legierung als Wasserstoffgasentzugsmittel verwendet werden.
In einem Gassensor nach der vorliegenden Erfindung kann eine elektrochemische Zelle, die einen fluorionenleitfähigen Festkörperelektrolyt mit Elektroden umfasst, die auf zwei Flächen desselben befestigt sind, oder ein Adsorbens als Fluorgasentzugsmittel verwendet werden.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Fig. 1 ist eine Querschnittsansicht, die die Zusammensetzung des Gassensors nach Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung darstellt.
Fig. 2 ist eine graphische Darstellung, die die Kennlinien eines Gassensors nach Ausführungsform 1 zeigt.
Fig. 3 ist eine graphische Darstellung, die die Kennlinien eines Gassensors nach Ausführungsform 1 zeigt.
Fig. 4 ist eine graphische Darstellung, die die Kennlinien eines Gassensors nach Ausführungsform 1 zeigt.
Fig. 5 ist eine graphische Darstellung, die die Kennlinien eines Gassensors nach Ausführungsform 3 der vorliegenden Erfindung zeigt.
Fig. 6 ist eine graphische Darstellung, die die Kennlinien eines Gassensors nach Ausführungsform 3 zeigt.
Fig. 7 ist eine graphische Darstellung, die die Kennlinien eines Gassensors nach Ausführungsform 4 der vorliegenden Erfindung zeigt.
Fig. 8 ist eine Querschnittsansicht, die die Zusammensetzung des Gassensors nach Ausführungsform 5 der vorliegenden Erfindung darstellt.
Fig. 9 ist eine graphische Darstellung, die die Kennlinien eines Gassensors nach Ausführungsform 5 zeigt.
Fig. 10 ist eine graphische Darstellung, die die Kennlinien eines Gassensors nach Ausführungsform 5 zeigt.
Fig. 11 ist eine Querschnittsansicht, die die Zusammensetzung des Gassensors nach Ausführungsform 6 der vorliegenden Erfindung darstellt.
Fig. 12 ist eine Querschnittsansicht, die die Zusammensetzung des Gassensors nach Ausführungsform 7 der vorliegenden Erfindung darstellt.
Fig. 13 ist eine Querschnittsansicht, die die Zusammensetzung des herkömmlichen Gassensors zeigt.

BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN

Ausführungsform 1:

Fig. 1 stellt einen Gassensor nach Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung dar, der eine Erfassungselektrode 1, einen Festkörperelektrolyt 2, eine Gegenelektrode 3, einen Isolator 4, Leitungsdrähte 5-1 und 5-2 und Anschlüsse 6-1 und 6-2 aufweist. Der Festkörperelektrolyt 2 ist eine Substanz, die ein Leiter für Fluorionen ist, in der dargestellten Form ist er ein Monokristall von LaF&sub3;, dem Europium in einer Menge von 0,3 mol-% zugefügt wurde, und der eine Dicke von 0,2 mm aufweist. Die Zugabe von Europium senkt den elektrischen Widerstand des LaF&sub3;-Monokristalls und verkürzt die Zeitkonstante bzw. die Zeit, die für den Ausgang des Gassensors benötigt wird, um den ausgeschwungenen Zustand zu erreichen. Die Vorteile des Monokristalls umfassen Gleichmäßigkeit des Materials und einfache Verarbeitung. Die Erfassungselektrode 1 wie auch die Gegenelektrode 3 bestehen beide aus Golddünnschichten und sind durch Sputtern auf beiden Flächen des Festkörperelektrolyts ausgebildet. Die Dicke der aufgesputterten Dünnschicht beträgt 25 nm, und diese Zahl ist ein Durchschnitt von 20 nm und 30 nm, denn wenn sie dünner als 20 nm ist, wird der Elektrodenwiderstand zu hoch, und wenn sie dicker als 30 nm ist, wird die Permeation des zu erfassenden Gases schlecht. Es wird 2,5 V- Gleichstrom (obwohl in den Figuren nicht gezeigt) an die Anschlüsse 6-1 und 6-2 so angelegt, dass die Seite der Erfassungselektrode 1 die negative Elektrode (Kathode) und die Seite der Gegenelektrode 3 die positive Elektrode (Anode) wird. Die Messung des zu diesem Zeitpunkt fließenden Stroms erfolgte mit einer von KEITHLEY Co. hergestellten Source Measure Unit Typ 238, die eine Funktion zum Anlegen elektrischer Spannung und eine Funktion zum Messen von elektrischem Strom hat.
Das zu erfassende Gas ist ein Gas, das aus einer Zersetzung von SF&sub6; stammt, die durch Entladung in einer gasisolierten elektrischen Vorrichtung verursacht wurde. Wenn SF&sub6;-Gas einer Lichtbogen- oder elektrischen Teilentladung ausgesetzt wird, werden HF, SF&sub4;, SOF&sub2; und SO&sub2; durch die Entladungszersetzung nach den folgenden Reaktionen erzeugt. Die Erklärung basiert hier auf dem Fall, in dem Kupfer als Leiter zum Erzeugen der Lichtbogen- und elektrischen Teilentladung verwendet wird.
SF&sub6; + CU → CuF&sub2; + SF&sub4;
SF&sub4; + H&sub2;O → SOF&sub2; + 2HF
SOF&sub2; + H&sub2;O → SO&sub2; + 2HF
Mittels HF als erläuterndem Beispiel wird der Fall erklärt, bei dem HF die Erfassungselektrode 1 erreicht. An der Erfassungselektrode 1 findet folgende Reaktion statt:
2HF + 2e&supmin; → 2F&supmin; + ¹/&sub2; H&sub2;,
und das sich ergebende F&supmin; wandert durch den Festkörperelektrolyt 2 zur Gegenelektrode 3, und dort findet folgende Reaktion statt:
2F&supmin; → F&sub2; + 2e&supmin;.
Das Ansprechverhalten dieses Gassensors auf HF-Gas ist in Fig. 2 und 3 gezeigt. In einem Bereich von HF-Konzentrationen von 1 ppm bis 5 ppm wurde das Ansprechen des Gassensors als zufriedenstellend befunden. Das Verhältnis zwischen den Gaskonzentrationen und der Änderung im ausgegebenen elektrischen Strom, wenn der Konzentrationsbereich zu einer hohen Konzentrationsseite hin (bis 1000 ppm) ausgeweitet wird, ist in Fig. 4 gezeigt. Es bestätigte sich, dass der Gassensor ausreichend auf Gaskonzentrationen bis zu 1000 ppm ansprach.

Ausführungsform 2:

Ähnliche Ergebnisse wurden erzielt, wenn Kohlenstoffdünnschichtelektroden (Dicke 25 nm) anstelle von Au-Dünnschichtelektroden verwendet wurden. Die Rückkehr zur Grundlinie, nachdem sich das zu erfassende Gas verflüchtigt hatte, war schneller als diejenige, die mit den Au-Dünnschichtelektroden erzielt werden konnte, und der Wert des elektrischen Stroms der Grundlinie konnte niedrig gehalten werden, womit die Kohlenstoffdünnschichtelektroden erwiesenermaßen genauso gute Kennlinien hatten wie die Au-Dünnschichtelektroden.
Der Grund dafür, dass die Au-Elektrode und die Kohlenstoffelektrode wiederholt eine Messung einer niedrigen HF-Konzentration mit relativ schnellem Ansprechen ermöglichen, liegt darin, dass HF mit der Au- oder Kohlenstoffelektrode kaum ein Reaktionsprodukt bildet.

Ausführungsform 3:

In der vorgenannten Ausführungsform 1 war die Vorrichtung zum Anlegen elektrischer Spannung und zum Messen eines elektrischen Stroms zwischen den Anschlüssen 6-1 und 6-2 angeschlossen. Nun wird ein beispielhafter Gassensor der Bauart, die elektrische Spannung abgibt, wie folgt aufgezeigt. Ein Spannungsmesser, Electrometer Typ 6512, hergestellt von KEITHLEY Co., mit einer Innenimpedanz von mindestens 10¹&sup4; Ω ist in Fig. 1 zwischen den Anschlüssen 6-1 und 6-2 angeschlossen. Das Ansprechverhalten auf das in diesem Fall zu erfassende Gas ist in Fig. 5 dargestellt. In Fig. 6 ist das Verhältnis zwischen der Gaskonzentration und der Ausgangsspannung dargestellt. Es bestätigte sich, dass der Gassensor gut auf Gaskonzentrationen bis zu 1000 ppm ansprach.

Ausführungsform 4:

Die Elektrode in dieser Ausführungsform besteht aus einer gemischten Schicht fein verteilter Au-Partikel und fein verteilter Festkörperelektrolytpartikel. Der Festkörperelektrolyt ist ein Monokristall von LaF&sub3;, dem Barium in einer Menge von 0,3 mol-% zugefügt wurde, und dessen Dicke 0,2 mm beträgt. Wie im Falle der vorgenannten Zugabe von Europium senkt die Zugabe von Barium den elektrischen Widerstand des Festkörperelektrolyts und verkürzt die Zeitkonstante bzw. die Zeit, die benötigt wird, bis der Ausgang des Gassensors den ausgeschwungenen Zustand erreicht. Ähnlich der Ausführungsform 1 wurde in Fig. 1 ein 2,5 V-Gleichstrom an die Anschlüsse 6-1 und 6-2 so angelegt, dass die Seite der Erfassungselektrode 1 die negative Elektrode (Kathode) und die Seite der Gegenelektrode die positive Elektrode (Anode) wurde, und dann wurde der durch den sich ergebenden Stromkreis fließende Strom gemessen. Die Ergebnisse sind in Fig. 7 gezeigt. Ausreichendes Ansprechen auf HF mit 0,1 Gew.-ppm (bei 1 atm) in SF&sub6; wurde bestätigt. Diese Empfindlichkeit entspricht 0,02 Gew.-ppm, d. h. 20 Gew.-ppb unter normalem SF&sub6;-Gasdruck (5 atm) einer gasisolierten elektrischen Vorrichtung. Das kommt daher, weil das mit der Elektrodenreaktion zusammenhängende Material pulverisiert ist, die Reaktionsstellen zur Verstärkung der Empfindlichkeit vermehrt sind.
Anstelle der fein verteilten Au-Partikel wurden fein verteilte Kohlenstoffpartikel für eine gemischte Schicht verwendet, und die sich ergebende Mischschichtelektrode zeigte Ergebnisse, die ähnlich den zuvor beschriebenen waren.

Ausführungsform 5:

Fig. 8 zeigt die Zusammensetzung eines Gassensors, bei dem mehrere Elektroden zur Erfassung des zu erfassenden Gases so auf einem Festkörperelektrolyt 2 vorgesehen sind, dass sie miteinander nicht in Kontakt sind. In Fig. 8 besteht die erste Erfassungselektrode 1a und die zweite Erfassungselektrode 1b aus aufgesputterten Au-Dünnschichten. Die Dicke der aufgesputterten Dünnschicht wurde wie in der Ausführungsform 1 auf 25 nm eingestellt. Ein Festkörperelektrolyt 2 war ein Monokristall von LaF&sub3;, dem Europium in einer Menge von 0,3 mol-% zugefügt war, und seine Dicke betrug 0,2 mm. Eine Gegenelektrode 3 war eine einzelne ungeteilte Elektrode, und das Material und die Dicke war genauso wie bei den Erfassungselektroden 1-a und 1-b. Es wurde 2,5 V- Gleichstrom (in der Figur nicht gezeigt) an die Anschlüsse 6-1b und 6-2b so angelegt, dass die Seite der Erfassungselektrode die negative Elektrode (Kathode) und die Seite der Gegenelektrode die positive Elektrode (Anode) wurde, und dann wurde der elektrische Strom dieses Systems gemessen. Ein (in der Figur nicht gezeigter) Spannungsmesser wurde zwischen den Anschlüssen 6-1a und 6-2a angeschlossen. Die Erfassungskapazität des vorliegenden Gassensors ist in Fig. 9 (Ausgang elektrischer Strom) und Fig. 10 (Ausgang elektrische Spannung) gezeigt. Die Ausgänge ohne Sättigung wurden sowohl im elektrischen Stromsystem als auch im elektrischen Spannungssystem auf HF- Konzentrationen von 1 bis 1000 ppm erzielt.

Ausführungsform 6:

Ein beispielhafter Gassensor mit Mitteln zum Entziehen der Reaktionsprodukte, die an den Elektroden entstehen, ist in Fig. 11 gezeigt. In dieser Figur sind das Reaktionsproduktentzugsmittel 7 (erfassungselektrodenseitig), das Reaktionsproduktentzugsmittel 8 (gegenelektrodenseitig) und die Abdeckung 9 dargestellt.
Im Falle eines Gases, das aus der Zersetzung von SF&sub6; stammt, wobei HF als erläuterndes Beispiel verwendet wird, findet an der Erfassungselektrode folgende Reaktion statt:
2HF + 2e&supmin; → H&sub2; + 2F&supmin;
Andererseits findet an der Gegenelektrode folgende Reaktion statt:
2F&supmin; → F&sub2; + 2e&supmin;.
Dementsprechend entsteht H&sub2; an der Erfassungselektrode, und F&sub2; an der Gegenelektrode. Wenn H&sub2; und F&sub2; in der Nähe der Elektroden vorhanden sind, führt das zu Fehlern in der Messung des Gassensors, dessen ursprünglicher Zweck darin besteht, das Gas zu messen, das aus der Zersetzung von SF&sub6; durch Entladung in der gasisolierten elektrischen Vorrichtung stammt. Diese Gase sollen deshalb abgezogen werden. In dieser Ausführungsform wird eine wasserstoffokkludierende Legierung zum Entzug des an der Erfassungselektrode entstandenen H&sub2; verwendet, und ein synthetisches Zeolithadsorbens wird verwendet, um das an der Gegenelektrode entstandene F&sub2; zu entziehen.

Ausführungsform 7:

Fig. 12 stellt ein Beispiel eines Gassensors dar, bei dem H&sub2; und F&sub2;, die an der Erfassungs- und Gegenelektrode entstanden sind, durch ein "Reaktionsproduktentzugsmittel unter Verwendung einer elektrochemischen Zelle" entzogen werden. Das erfassungselektrodenseitige bzw. gegenelektrodenseitige Reaktionsproduktentzugsmittel ist mit den Bezugszahlen 7 bzw. 8 versehen.
Nun wird mit Bezug auf Fig. 12 der Entzug von H&sub2; genauer erklärt. Das Reaktionsproduktentzugsmittel 7 ist eine elektrochemische Zelle, die ein Trennelement 7-2 umfasst, das aus einem wasserstoffionenleitfähigen Festkörperelektrolyt und Dünnschichtelektroden 7-1 und 7-3 aus einem porösen Metall (Pt) besteht, die an deren beiden Flächen befestigt sind. Als Festkörperelektrolyt wird Uranylphosphathydrat (HUO&sub2;PO&sub4;·4H&sub2;O) verwendet. 7-5-1 und 7-5-2 stellen Leitungsdrähte dar, 7-6-1- und 7-6-2 Anschlüsse. DC-Spannung wird so zwischen diesen Elektroden angelegt, dass die Seite des Sensors die positive Elektrode und die Seite der Atmosphäre die negative Elektrode wird und folgende Reaktion stattfindet:
sensorseitig: → 2H&spplus; + 2e&supmin;
atmosphärenseitig: 2H&spplus; + 2e&supmin; → H&sub2;.
H&sub2; auf der Sensorseite wird zuerst ionisiert und tritt in den Festkörperelektrolyt ein, wandert dann zur Elektrode auf der Atmosphärenseite, wird dann in Gas umgewandelt und in die Luft freigesetzt. Auf diese Weise wird das an der Erfassungselektrode 1 entstandene Wasserstoffgas aus dem System entfernt. Einer der Vorteile ist, dass die elektrochemische Zelle, wenn eine Energiequelle angeschlossen ist, semipermanent betrieben werden kann.
Als Nächstes wird der Entzug von F&sub2; mit Bezug auf Fig. 12 genauer erklärt. Das Reaktionsproduktentzugsmittel 8 ist eine elektrochemische Zelle, die ein Trennelement 8-2 umfasst, das aus einem fluorionenleitfähigen Festkörperelektrolyt und Dünnschichtelektroden 8-1 und 8-3 aus einem porösen Metall (Pt) besteht, die an deren beiden Flächen befestigt sind. Als Festkörperelektrolyt wird ein Monokristall aus LaF&sub3; verwendet, dem Europium in einer Menge von 0,3 mol-% hinzugefügt wurde. 8-5-1 und 8- 5-2 stellen Leitungsdrähte dar, und 8-6-1 und 8-6-2 Anschlüsse. Wenn die DC-Spannung so zwischen den Elektroden angelegt wird, dass die Seite des Sensors die negative Elektrode und die Seite der Atmosphäre die positive Elektrode wird, findet folgende Reaktion statt:
sensorseitig: F&sub2; + 2e&supmin; → 2F&supmin;
atmosphärenseitig: 2F&supmin; → F&sub2; + 2e&supmin;.
F&sub2; auf der Sensorseite wird zuerst ionisiert und tritt in den Festkörperelektrolyt ein, wandert zur Elektrode auf der Atmosphärenseite, wird dann in Gas umgewandelt und in die Luft freigesetzt. Auf diese Weise wird das an der Gegenelektrode 3 entstandene Fluorgas aus dem System entfernt. Einer der Vorteile ist, dass die elektrochemische Zelle, wenn eine Energiequelle angeschlossen ist, semipermanent betrieben werden kann.
Im übrigen wird in den vorstehend aufgezeigten Ausführungsformen ein Paar derselben Art von Elektrodenmaterialien wie Au-Dünnschichten sowohl für die Erfassungsdiode 1 als auch die Gegenelektrode 3 verwendet. Es erübrigt sich, festzustellen, dass auch ein Paar aus unterschiedlichen Elektrodenmaterialien wie eine Au-Dünnschicht und eine Kohlenstoffdünnschicht verwendet werden kann.
Die vorliegende, wie oben aufgebaute Erfindung weist die folgenden Vorteile auf.
Da der Gassensor nach der vorliegenden Erfindung einen Festkörperelektrolyt, eine Erfassungselektrode, eine Gegenelektrode und Leitdungsdrähte und eine inaktive Substanz aufweist, die mit dem zu erfassenden Gas kaum ein Reaktionsprodukt bildet, als Material zur Ausbildung dieser Elektroden verwendet, kann eine niedrige Konzentration des zu erfassenden Gases wiederholt gemessen und ein schnelles Ansprechen erzielt werden.
Wenn Au oder Kohlenstoff als Material zur Ausbildung der Elektrode verwendet wird, bildet die Elektrode mit dem zu erfassenden Gas kaum ein Reaktionsprodukt, und die niedrige Konzentration des zu erfassenden Gases kann wiederholt gemessen und ein schnelles Ansprechen erzielt werden.
Umfasst die Elektrode eine Au- oder Kohlenstoffdünnschicht mit einer Dicke von 20-30 nm, kann eine gute Elektrode bereitgestellt werden, deren elektrischer Widerstand nicht zu hoch ist, die eine zufriedenstellende Permeabilität für das zu erfassende Gas aufweist.
Umfasst die Elektrode eine gemischte Schicht fein verteilter Partikel von Au oder Kohlenstoff und fein verteilte Partikel eines Festkörperelektrolyts, kann ein Gassensor mit einer hohen Empfindlichkeit bereitgestellt werden.
Ist der Festkörperelektrolyt eine fluorionenleitfähige Substanz, kann der Gassensor die Konzentration eines Gases, einschließlich HF messen, das durch Zersetzung von SF&sub6; durch Entladung entsteht.
Umfasst der Festkörperelektrolyt einen LaF&sub3;-Monokristall, dem Europium oder Barium hinzugefügt ist, ist der elektrische Widerstand des Festkörperelektrolyts niedrig und die Zeitkonstante bzw. die Zeit, die der Ausgang des Gassensors benötigt, um den ausgeschwungenen Zustand zu erreichen, kann verkürzt sein.
Ist die Erfassungsdiode in mehrere Teile aufgeteilt und so vorgesehen, dass diese nicht in Kontakt miteinander sind, können mit einem einzigen Gassensor mehrere Daten gleichzeitig erhalten werden.
Sind Mittel zum Entziehen des an der Elektrode entstehenden Reaktionsprodukts in unmittelbarer Nähe der Elektrode vorgesehen, können genaue Daten, die nicht vom Reaktionsprodukt beeinflusst sind, erhalten werden.
Ist ein Wasserstoffgas- oder Fluorgasentzugsmittel als Mittel zum Entziehen des Reaktionsprodukts vorgesehen, können genaue Daten, die nicht vom restlichen Wasserstoff- oder Fluorgas beeinflusst sind, erhalten werden.
Wird eine elektrochemische Zelle mit einem wasserstoffionenleitfähigen Festkörperelektrolyt und Elektroden, die an dessen beiden Flächen befestigt sind, oder eine wasserstoffokkludierende Legierung als Wasserstoffgasentzugsmittel verwendet, können genaue Daten, die nicht vom restlichen Wasserstoffgas beeinflusst sind, erhalten werden.
Wird eine elektrochemische Zelle mit einem fluorionenleitfähigen Festkörperelektrolyt und Elektroden, die an dessen beiden Flächen befestigt sind, oder ein Adsorbens als Fluorgasentzugsmittel verwendet, können genaue Daten, die nicht vom restlichen Fluorgas beeinflusst sind, erhalten werden.
Obwohl die Erfindung ausführlich und mit Bezug auf deren spezielle Ausführungsformen beschrieben wurde, wird dem Fachmann klar sein, dass darin verschiedene Änderungen und Modifizierungen vorgenommen werden können, ohne dass dabei Aussage und Rahmen der Erfindung verlassen würde.

Claims

1. Gassensor zum Erfassen eines zersetzten Gases, das aus der Zersetzung von SF&sub6; aufgrund einer elektrischen Entladung stammt, wobei der Sensor umfasst:

einen Festkörperelektrolyt (2), eine Erfassungselektrode, eine Gegenelektrode (3) und Leitungsdrähte (5), um eine elektrische Spannung über die Elektroden (1, 3) anzulegen oder elektrische Signale auszugeben;

bei dem die Erfassungselektrode (1) in Kontakt mit einer der Flächen des Elektrolyts (2) angeordnet ist, um dem zu erfassenden Gas ausgesetzt zu sein; und

die Gegenelektrode (3) in Kontakt mit einer anderen Fläche des Festkörperelektrolyts (1) vorgesehen ist;

dadurch gekennzeichnet, dass

eine inaktive Substanz, die im wesentlichen nicht mit dem zu erfassenden Gas reagiert, als Material verwendet wird, das die Elektroden (1, 3) bildet; und

ein Mittel (7, 8) zum Entfernen des an der Elektrode erzeugten Gases in unmittelbarer Nähe der Elektroden vorgesehen ist.

2. Gassensor nach Anspruch 1, bei dem Au oder Kohlenstoff als Material verwendet ist, um die Elektroden (1, 3) zu bilden.

3. Gassensor nach Anspruch 2, bei dem die Elektroden (1, 3) aus einer dünnen Au- oder Kohlenstoffschicht bestehen und die Dicke der dünnen Schicht zwischen 20 und 30 nm beträgt.

4. Gassensor nach Anspruch 1, bei dem die Elektroden (1, 3) aus einer gemischten Schicht aus fein verteilten Au- oder Kohlenstoffpartikeln und fein verteilten Partikeln eines Festkörperelektrolyts bestehen.

5. Gassensor nach Anspruch 1, bei dem der Festkörperelektrolyt eine fluorionenleitfähige Substanz umfasst.

6. Gassensor nach Anspruch 5. bei dem der Festkörperelektrolyt (2) einen LaF&sub3;- Monokristall umfasst, dem Europium oder Barium hinzugefügt ist.

7. Gassensor nach Anspruch 1, bei dem die Erfassungsdiode (1) in mehrere Teile (1a, 1b) aufgeteilt ist.

8. Gassensor nach Anspruch 1, bei dem ein Wasserstoffgasentzugsmittel (7) und/oder ein Fluorgasentzugsmittel (8) als Gasentzugsmittel vorgesehen ist/sind.

9. Gassensor nach Anspruch 8, bei dem eine elektrochemische Zelle, die einen wasserstoffionenleitfähigen Festkörperelektrolyt (7-2) mit Elektroden (7-1, 7-3) umfasst, die auf zwei Flächen desselben befestigt sind, oder eine wasserstoffokkludierende Legierung als Wasserstoffgasentzugsmittel (7) verwendet wird.

10. Gassensor nach Anspruch 8, bei dem eine elektrochemische Zelle, die einen fluorionenleitfähigen Festkörperelektrolyt (8-2) mit Elektroden (8-1, 8-3) umfasst, die auf zwei Flächen desselben befestigt sind, oder einen Absorptionsstoff als Fluorgasentzugsmittel (8) verwendet wird.