JPH07107524B2 - Oxygen gas detector - Google Patents

Oxygen gas detector

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JPH07107524B2
JPH07107524B2 JP21306086A JP21306086A JPH07107524B2 JP H07107524 B2 JPH07107524 B2 JP H07107524B2 JP 21306086 A JP21306086 A JP 21306086A JP 21306086 A JP21306086 A JP 21306086A JP H07107524 B2 JPH07107524 B2 JP H07107524B2
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oxygen gas
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昭雄 高見
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Description

【発明の詳細な説明】 [産業上の利用分野] 本発明は、酸素ガス成分の濃度を検出するための酸素ガ
ス検出器に関するものであって、特に感ガス性の金属酸
化物を用いた酸素ガス検出器に関する。
Description: TECHNICAL FIELD The present invention relates to an oxygen gas detector for detecting the concentration of an oxygen gas component, and particularly to oxygen using a gas-sensitive metal oxide. Regarding gas detectors.

[従来の技術] 従来より、酸素ガス成分の濃度を検出する酸素ガス検出
器が実用化されている。
[Prior Art] Conventionally, an oxygen gas detector for detecting the concentration of an oxygen gas component has been put into practical use.

これらの中に、酸素ガスが接触した場合に、その電気抵
抗が変化する特性を持った感ガス性の金属酸化物を使用
しているものがある。例えばTiO2、CoO、NiO等の遷移金
属元素の酸化物等は酸素ガス検出器として使用できる。
Among these, there is one that uses a gas-sensitive metal oxide having a characteristic that its electric resistance changes when it comes into contact with oxygen gas. For example, oxides of transition metal elements such as TiO 2 , CoO, and NiO can be used as oxygen gas detectors.

ここで例示した遷移金属酸化物は、非化学量論的化合物
である。そして、この非化学量論的化合物中の荷電担体
(ホール、電子)の量は、周囲の酸素ガス分圧によって
変化する。そのために、周囲の酸素ガス分圧に応じて導
電率が変化するのである。
The transition metal oxides illustrated here are non-stoichiometric compounds. Then, the amount of charge carriers (holes, electrons) in this non-stoichiometric compound changes depending on the partial pressure of oxygen gas in the surroundings. Therefore, the conductivity changes according to the partial pressure of oxygen gas in the surroundings.

ところで、上記酸素ガス検出器は、特に内燃機関の排ガ
スのような非平衡ガス中の酸素ガス分圧を精度よく検出
するためには、非平衡ガスを平衡化する必要があり、こ
れに対処するために、従来では、Ptなどの貴金属触媒を
粉末状にして感ガス層中に均一に分散担持させている。
By the way, in order to accurately detect the partial pressure of oxygen gas in a non-equilibrium gas such as the exhaust gas of an internal combustion engine, the oxygen gas detector needs to equilibrate the non-equilibrium gas. Therefore, conventionally, a noble metal catalyst such as Pt is made into a powder form and uniformly dispersed and supported in the gas sensitive layer.

[発明が解決しようとする問題点] ところが、触媒は、酸素ガスも含めて非平衡ガスを触媒
表面に吸着し、触媒表面で反応させ、平衡ガスとして脱
離することによって、非平衡ガスを平衡化する。そのた
めに、ガス中に酸素ガス分圧変化が起こっても、ガスが
触媒に吸着されてから脱離までの時間、出力が遅れてし
まう。
[Problems to be Solved by the Invention] However, the catalyst adsorbs a non-equilibrium gas, including oxygen gas, on the surface of the catalyst, reacts on the catalyst surface, and desorbs it as a equilibrium gas to equilibrate the non-equilibrium gas. Turn into. Therefore, even if the oxygen gas partial pressure changes in the gas, the output is delayed for the time from the adsorption of the gas to the catalyst to the desorption.

したがって、非平衡ガスを平衡化する力を増加させるた
めに、触媒の量を増加すると、平衡化の力が増加する一
方で、吸着から脱離までの時間は長くなり応答性が悪化
する。逆に応答性を向上させるために、触媒量を減少す
ると、応答性が向上する一方で、非平衡ガスの平衡化が
充分に行われなくなってしまい正しい測定が出来なくな
る。
Therefore, when the amount of the catalyst is increased in order to increase the equilibrium force of the non-equilibrium gas, the equilibration force increases, but the time from adsorption to desorption becomes longer and the responsiveness deteriorates. On the contrary, if the amount of the catalyst is decreased to improve the response, the response is improved, but on the other hand, the equilibrium of the non-equilibrium gas is not sufficiently performed, and correct measurement cannot be performed.

[問題点を解決するための手段] 本発明は上記問題点を解決するために次の手段を採用し
た。
[Means for Solving Problems] The present invention employs the following means in order to solve the above problems.

即ち、本発明の要旨は、 一対の電極と、 該一対の電極を覆い、感ガス性金属酸化物を含み、周囲
の酸素ガス成分の濃度に応じて電気抵抗が変化する多孔
質の感ガス層と、 該感ガス層を覆う上層と を備え、 上記上層が、 上記感ガス性金属酸化物とは異なる酸素吸蔵性の金属酸
化物を含むとともに触媒を担持したことを特徴とする酸
素ガス検出器にある。
That is, the gist of the present invention is to provide a pair of electrodes, a porous gas-sensitive layer that covers the pair of electrodes, contains a gas-sensitive metal oxide, and has an electrical resistance that changes according to the concentration of the surrounding oxygen gas component. And an upper layer covering the gas-sensitive layer, wherein the upper layer contains a metal oxide having an oxygen storage property different from that of the gas-sensitive metal oxide and carries a catalyst. It is in.

ここで、上記電極としては、耐熱性の導電体であれば特
に限定はないが、通常、タングステン、モリブデン、
銀、金あるいは白金族を主成分としたものが用いられ
る。
Here, the electrode is not particularly limited as long as it is a heat-resistant conductor, but usually, tungsten, molybdenum,
A material containing silver, gold or a platinum group as a main component is used.

感ガス層に用いられる感ガス性金属酸化物としては、通
常用いられるものとして、TiO2、SnO2、CoO、ZnO、Nb2O
5、Cr2O3、NiO等の遷移金属酸化物があげられ、本発明
においてもこれらのうちのいずれか1つまたは2つ以上
の組合せの物質を用いればよい。
Examples of the gas-sensitive metal oxide used in the gas-sensitive layer include TiO 2 , SnO 2 , CoO, ZnO and Nb 2 O which are usually used.
Examples thereof include transition metal oxides such as 5 , Cr 2 O 3 , and NiO. In the present invention, any one or a combination of two or more of these may be used.

上層に用いられる酸素吸蔵性の金属酸化物としては、周
囲の酸素ガス分圧が高いと酸素を取り込み、逆に周囲の
酸素ガス分圧が低いと酸素を放出する性質(O2storag
e)を有する材料であれば特に限定はないが、CeO2、La2
O3、Nd2O3、Eu2O3のような希土類元素の酸化物あるいは
複酸化物はその効果が適当であり好ましい。尚、上記感
ガス性金属酸化物も、酸素吸蔵性を有するが、その効果
が強過ぎて、応答性を低下させてしまうために、上層の
酸素吸蔵性金属酸化物として使用することは出来ない。
この酸素吸蔵性の金属酸化物は後述の上層の母材と混合
されて上層を構成する。
The oxygen storage metal oxide used in the upper layer has a property of taking in oxygen when the surrounding oxygen gas partial pressure is high, and conversely releasing oxygen when the surrounding oxygen gas partial pressure is low (O 2 storag).
There is no particular limitation as long as the material has e), but CeO 2 , La 2
Oxides, complex oxides, and rare earth element oxides such as O 3 , Nd 2 O 3 , and Eu 2 O 3 are suitable and preferred. The above gas-sensitive metal oxide also has an oxygen storage property, but its effect is too strong to reduce the responsiveness, so it cannot be used as the oxygen storage metal oxide of the upper layer. .
This oxygen-storing metal oxide is mixed with the base material of the upper layer described later to form the upper layer.

上記上層の母材としては、熱的に安定な多孔質材料であ
れば特に限定されない。例えば、アルミナ、マグネシア
スピネル、ジルコニア、フォルステライト、コーディエ
ライト等を用いることが出来る。
The upper layer base material is not particularly limited as long as it is a thermally stable porous material. For example, alumina, magnesia spinel, zirconia, forsterite, cordierite, etc. can be used.

上記触媒としては、酸素ガス検出器の使用される状態等
に応じてその物質を選択すればよいが、特に、酸素ガス
検出器を内燃機関の排ガス中の酸素ガス分圧測定に使用
する場合は、白金族元素から選ばれた1種又は2種以上
が好ましい。
As the catalyst, the substance may be selected according to the state in which the oxygen gas detector is used, etc., but particularly when the oxygen gas detector is used for measuring the partial pressure of oxygen gas in the exhaust gas of an internal combustion engine. One or more selected from the platinum group elements are preferable.

この触媒は、例えば、担体となる多孔質上層母材に触媒
成分元素を含む溶液を含浸させた後に、熱分解、還元等
によって触媒を上層母材に分散担持する含浸法によって
上層に担持される。この含浸法以外にも、触媒元素を含
む塩の溶液に沈澱剤を加えて、触媒を担体となる上層母
材表面上に沈澱させたり、上層母材成分と触媒成分との
両者を同時に沈澱させる(共沈させる)沈澱法、担体で
ある上層のイオン交換性を利用したイオン交換法や、触
媒成分元素を含む溶液からの吸着を利用した吸着法等に
よって、触媒は上層に担持される。
This catalyst is supported on the upper layer by, for example, an impregnation method in which a porous upper layer base material serving as a carrier is impregnated with a solution containing a catalyst component element and then the catalyst is dispersed and supported on the upper layer base material by thermal decomposition, reduction or the like. . In addition to this impregnation method, a precipitating agent is added to a salt solution containing a catalyst element to precipitate the catalyst on the surface of the upper layer base material serving as a carrier, or both the upper layer base material component and the catalyst component are simultaneously precipitated. The catalyst is supported on the upper layer by a precipitation method (coprecipitation), an ion exchange method utilizing the ion exchange property of the upper layer which is a carrier, an adsorption method utilizing adsorption from a solution containing a catalyst component element, or the like.

本発明の酸素ガス検出器は、例えば、セラミック基板上
に厚膜技術等のハイブリッド技術により感ガス層等を設
けることにより作成できる。あるいは、厚膜技術等を使
用せずに、サーミスタ等で用いられる、ディスク型、ビ
ード型等に形成してもよい。
The oxygen gas detector of the present invention can be produced, for example, by providing a gas sensitive layer or the like on a ceramic substrate by a hybrid technique such as a thick film technique. Alternatively, it may be formed into a disk type, a bead type or the like used in a thermistor or the like without using the thick film technique or the like.

さらに、測定時の酸素ガス検出器の温度特性変動の減少
を目的として、発熱体を感ガス層の近傍に設けても良
い。そして、この発熱体の一部と酸素ガス検出器の一方
の電極とを連結して感ガス層に電圧を印加し、端子の数
を減らすと共に、測定回路を簡単にしてもよい。
Furthermore, a heating element may be provided in the vicinity of the gas sensitive layer for the purpose of reducing the temperature characteristic fluctuation of the oxygen gas detector during measurement. Then, a part of this heating element and one electrode of the oxygen gas detector may be connected to apply a voltage to the gas sensitive layer to reduce the number of terminals and simplify the measurement circuit.

また、感ガス層を保護することを目的として、上層にさ
らに重ねて、コート層を設けてもよい。このコート層
は、感ガス性金属酸化物に対する鉛等の有毒物質を吸着
捕獲し、有毒物質が感ガス層に達することを防ぐ、コー
ト層の材質としては、熱的に安定な材質であれば特に限
定はなく、例えば、アルミナ、マグネシアスピネル、ジ
ルコニア等を用いることが出来る。
Further, for the purpose of protecting the gas-sensitive layer, a coat layer may be further provided on the upper layer. This coat layer adsorbs and captures toxic substances such as lead with respect to gas-sensitive metal oxides and prevents the toxic substances from reaching the gas-sensitive layer. The material of the coat layer is a thermally stable material. There is no particular limitation, and for example, alumina, magnesia spinel, zirconia, etc. can be used.

[作用] 内燃機関の排気ガスのような非平衡ガスを触媒により平
衡化する場合、触媒近傍の雰囲気がほぼ理論空燃比であ
るときが、最も効率よく触媒が働く。
[Operation] When equilibrating a non-equilibrium gas such as exhaust gas of an internal combustion engine with a catalyst, the catalyst works most efficiently when the atmosphere in the vicinity of the catalyst has a substantially stoichiometric air-fuel ratio.

本発明では、上層に担持された触媒の近くに酸素吸蔵性
の金属酸化物が存在している。そのため、触媒近傍の雰
囲気に、過剰の未燃焼成分が存在する時には、酸素吸蔵
性の金属酸化物から、酸素が触媒近傍に供給され、一
方、過剰の酸素が存在する時には酸素吸蔵性の金属酸化
物に、酸素が取り込まれ、触媒近傍をほぼ過剰の未燃焼
成分や過剰の酸素のない理論混合比に保つ。したがっ
て、触媒近傍は、常に、触媒が最も効率良く働く雰囲気
となり、従来よりも少ない量の触媒でも、非平衡ガスの
平衡化が充分行える。尚、当然のことながら、上記酸素
吸蔵性の金属酸化物によって調整されるのは、触媒近傍
の微少な部分についてのみであって、全体としてみれ
ば、周囲の雰囲気に応じた酸素分圧の平衡なガスとなっ
ている。そして、感ガス層は、この平衡なガス中の酸素
ガス分圧を測定する。
In the present invention, the oxygen storage metal oxide exists near the catalyst supported on the upper layer. Therefore, when excess unburned components are present in the atmosphere near the catalyst, oxygen is supplied from the oxygen storage metal oxide to the vicinity of the catalyst, while when excess oxygen is present, the oxygen storage metal oxide is oxidized. Oxygen is taken into the material, and the vicinity of the catalyst is maintained at a theoretical mixing ratio with almost no excess unburned components or excess oxygen. Therefore, an atmosphere where the catalyst works most efficiently is always present in the vicinity of the catalyst, and the equilibrium of the non-equilibrium gas can be sufficiently achieved even with a smaller amount of the catalyst than in the conventional case. As a matter of course, it is only the minute portion near the catalyst that is adjusted by the oxygen storage metal oxide, and as a whole, the equilibrium of oxygen partial pressure according to the surrounding atmosphere is adjusted. It is a natural gas. Then, the gas sensitive layer measures the partial pressure of oxygen gas in the equilibrium gas.

尚、この酸素吸蔵性金属酸化物として、感ガス性金属酸
化物が使用できない理由は、感ガス性金属酸化物が多量
の酸素を吸蔵・放出するために、応答性が悪化してしま
うためである。
The reason why the gas-sensitive metal oxide cannot be used as the oxygen-storing metal oxide is that the gas-sensitive metal oxide absorbs and releases a large amount of oxygen, which deteriorates the responsiveness. is there.

[発明の効果] 本発明では、上述のように上層中の酸素吸蔵性金属酸化
物が、触媒近傍の雰囲気をほぼ一定にする。そのため、
触媒は常に最大能力で働く。したがって、触媒が小量で
も非平衡ガスの平衡化には充分であり、また、触媒の量
を小量とすると触媒の吸着、脱離による応答性の遅れが
改善されるとともに省資源に寄与する。
[Effects of the Invention] In the present invention, as described above, the oxygen storage metal oxide in the upper layer makes the atmosphere in the vicinity of the catalyst almost constant. for that reason,
The catalyst always works at maximum capacity. Therefore, even a small amount of the catalyst is sufficient for equilibrating the non-equilibrium gas, and a small amount of the catalyst improves the response delay due to the adsorption and desorption of the catalyst and contributes to resource saving. .

[実施例] 本発明の一実施例を図面を用いて説明する。尚、説明上
各図の縮尺は異なる。
[Embodiment] An embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. Note that the scale of each drawing is different for the sake of explanation.

本実施例は、感ガス層として白金を担持したチタニアを
用い、上層として母材である活性アルミナに種々の酸素
吸蔵性金属酸化物を混合し、触媒である白金及びロジウ
ムを担持した酸素ガス検出器10である。
In this example, titania supporting platinum was used as the gas-sensitive layer, and various oxygen storage metal oxides were mixed with activated alumina as the base material as the upper layer to detect oxygen gas supporting platinum and rhodium as the catalyst. It is a vessel 10.

上記酸素ガス検出器10は、第1図の部分破断した斜視図
に示すように、セラミック基板12と、このセラミック基
板12上に形成され、かつ、端子13a、13b、13eで白金リ
ード線14a、14b、14eに接続された検出用電極16a、16b
および熱抵抗電極16e等の電極パターン16と、上記セラ
ミック基板12上および電極パターン16上に積層してセラ
ミック基板12と一体化され、かつ、窓部18aを有するセ
ラミック積層板18と、上記セラミック積層板18の窓部18
aに、検出用電極パターン16a、16bを覆うように充填さ
れた感ガス層20と、上記セラミック基板12と感ガス層20
との間に分散介在して両者の剥離を防ぐ球形造粒粒子22
と、感ガス層20上に積層された上層24と、該上層24に積
層されたAl2O3からなるコート層26と、から構成されて
いる。
As shown in the partially broken perspective view of FIG. 1, the oxygen gas detector 10 is formed on a ceramic substrate 12, and the platinum lead wire 14a is formed on the ceramic substrate 12 with terminals 13a, 13b, 13e. Detection electrodes 16a, 16b connected to 14b, 14e
And an electrode pattern 16 such as a thermal resistance electrode 16e, a ceramic laminated plate 18 having a window portion 18a integrated with the ceramic substrate 12 by being laminated on the ceramic substrate 12 and the electrode pattern 16, and the ceramic laminated body. Window 18 of plate 18
a, the gas-sensitive layer 20 filled so as to cover the detection electrode patterns 16a and 16b, the ceramic substrate 12 and the gas-sensitive layer 20.
Spherical granulated particles that are dispersed between and prevent the separation of the two
And an upper layer 24 laminated on the gas-sensitive layer 20, and a coat layer 26 made of Al 2 O 3 laminated on the upper layer 24.

次に、本実施例である酸素ガス検出器10の製造工程を第
2図ないし第5図にしたがって説明する。
Next, a manufacturing process of the oxygen gas detector 10 of this embodiment will be described with reference to FIGS.

アルミナ92wt%、マグネシア3wt%、及び焼結助剤
(シリカ、カルシア等)5wt%をポットミルにて20時間
混合する。その後、該混合物に有機バインダーとしてポ
リビニールブチラール12wt%、フタル酸ジブチル4wt%
を添加し、溶剤としてメチルエチルケトン、トルエン等
を加えた。更にポットミルで15時間混合してスラリーと
し、ドクタープレート法により基板用および積層用グリ
ーンシート12A、18Aを形成する。
92 wt% alumina, 3 wt% magnesia, and 5 wt% sintering aid (silica, calcia, etc.) are mixed in a pot mill for 20 hours. Then, the mixture was mixed with polyvinyl butyral 12 wt% and dibutyl phthalate 4 wt% as an organic binder.
Was added, and methyl ethyl ketone, toluene and the like were added as a solvent. Further, the mixture is mixed in a pot mill for 15 hours to obtain a slurry, and the substrate and laminating green sheets 12A and 18A are formed by the doctor plate method.

上記グリーンシートの形状は基板用グリーンシート12A
で47.8mm×4.0mm×0.8mmt、積層用グリーンシート18Aで
47.8mm×4.0mm×0.26mmtであり、そして、上記積層用グ
リーンシート18Aには、3.05mm×2.0mmの窓部18aを形成
する。
The shape of the above green sheet is the green sheet 12A for the substrate.
47.8mm × 4.0mm × 0.8mm t , with laminated green sheet 18A
It has a size of 47.8 mm × 4.0 mm × 0.26 mm t , and a 3.05 mm × 2.0 mm window portion 18a is formed in the lamination green sheet 18A.

次に、白金黒とスポンジ状白金とを、2:1の比率に
調合し、他に上記で用いたグリーンシートの材料混合
物を10wt%添加し、ブチルカルビドール、エトセル等の
溶剤を加えて、電極用ペーストとする。
Next, platinum black and sponge-like platinum were blended in a ratio of 2: 1, 10 wt% of the material mixture of the green sheet used above was added, and a solvent such as butyl carbidol and Ethocel was added, Use as electrode paste.

次に、で調整する電極用ペーストを用い厚膜印刷
により基板用グリーンシート12A上に電極パターン16を
形成する。電極パターン16として、上述したように検出
用電極パターン16a、16b、および感ガス部20を加熱する
ためのヒータとなる熱抵抗電極パターン16eと、上記両
パターン16の端子となる端子パターン13a、13b、13eを
形成する。(第2図(イ)、(ロ)) その後、上記端子パターン13a、13b、13eに、直径
0.2mmの白金リード線14a、14b、14eを、それぞれ接続す
る(第3図(イ)、(ロ))。
Next, an electrode pattern 16 is formed on the substrate green sheet 12A by thick film printing using the electrode paste adjusted in. As the electrode pattern 16, as described above, the detection electrode patterns 16a and 16b, and the thermal resistance electrode pattern 16e that serves as a heater for heating the gas-sensitive portion 20, and the terminal patterns 13a and 13b that serve as the terminals of both patterns 16 described above. , 13e are formed. (Fig. 2 (a), (b)) Then, on the terminal patterns 13a, 13b, 13e, the diameter
The platinum lead wires 14a, 14b, 14e of 0.2 mm are connected to each other (Fig. 3 (a), (b)).

次に、上記基板用グリーンシート12A上に積層用グ
リーンシート18Aを積層熱圧着して積層体を形成する。
このとき、該積層用グリーンシート18Aの窓部18aには、
検出用電極パターン16a、16bの先端が露出している。そ
して、窓部18a中にで調整したグリーンシートと同一
の材料からなる80〜150メッシュの球形造粒粒子(2次
粒子)22を分散付着させてから、上記積層体を1500℃で
大気とほぼ同一雰囲気中にて2時間焼成することで一体
となったセラミック基板12およびセラミック積層板18を
形成する(第4図(イ)(ロ))。
Next, the lamination green sheet 18A is laminated and thermocompression-bonded on the substrate green sheet 12A to form a laminate.
At this time, the window portion 18a of the laminated green sheet 18A,
The tips of the detection electrode patterns 16a and 16b are exposed. Then, 80 to 150 mesh spherical granulated particles (secondary particles) 22 made of the same material as the green sheet adjusted in the window portion 18a are dispersed and adhered, and then the above laminated body is exposed to the atmosphere at 1500 ° C. By firing in the same atmosphere for 2 hours, the integrated ceramic substrate 12 and ceramic laminated plate 18 are formed (Fig. 4 (a) and (b)).

上述のように球形造粒粒子22を分散付着させて焼成する
と、第4図(ハ)に拡大図示するように各粒子22が1重
に分散して、セラミック基板12上に凹凸面を形成させ
る。
When the spherical granulated particles 22 are dispersed and adhered as described above and fired, each particle 22 is dispersed in a single layer as shown in the enlarged view of FIG. 4C to form an uneven surface on the ceramic substrate 12. .

次に、セラミック積層板18の窓部18a内に、感ガス
層として若干の白金を担持したチタニア粒のペーストを
充填し、重ねて上層24として、上層用ペーストを充填す
るのであるが、充填の前に以下のようにして各ペースト
を調整する。
Next, in the window portion 18a of the ceramic laminated plate 18, a paste of titania particles carrying a small amount of platinum as a gas sensitive layer is filled, and the upper layer paste is filled as the upper layer 24 by stacking. Adjust each paste as follows.

先ず、チタニア粒子ペーストを調整する。First, a titania particle paste is prepared.

大気中1200℃で1時間仮焼した平均粒径1.2μmのTiO2
粉末100gに対して、白金10gを含む塩化白金酸水溶液100
ccを加え、大気中200℃で24時間乾燥させた後に、水素
炉中700℃で2時間に渡り熱分解し、TiO2粉末表面に白
金を析出させてチタニア粒を得る。
TiO 2 with an average particle size of 1.2 μm, calcined in the air at 1200 ° C for 1 hour
100 g of powder, 100 g of chloroplatinic acid aqueous solution containing 10 g of platinum
After adding cc and drying in air at 200 ° C. for 24 hours, pyrolysis is performed in a hydrogen furnace at 700 ° C. for 2 hours to deposit platinum on the surface of the TiO 2 powder to obtain titania particles.

このチタニア粒粉末100gに対し、バインダーとして2gの
エチルセルロースを添加し、これらをブチカルビトール
(2−(2−ブトキシエトキシ)エタノールの商品名)
中で混合し、300ポイズの粘度にしてチタニア粒ペース
トを調整する。
To 100 g of this titania grain powder, 2 g of ethyl cellulose was added as a binder, and these were added to butycarbitol (trade name of 2- (2-butoxyethoxy) ethanol).
Mix in and adjust to a viscosity of 300 poise to prepare the titania grain paste.

次いで、上層用ペーストを調整する。Next, the upper layer paste is adjusted.

平均粒径0.5μmの活性アルミナ1モルに対して、酸素
吸蔵性金属酸化物の金属を含む硝酸塩水溶液あるいは塩
化物水溶液を所定量(第1表参照)加え、10分間放置し
た後に、大気中120℃で12時間充分乾燥させ、さらに、
大気中850℃で焼成してアルミナ粉末とする。このアル
ミナ粉末に対し、白金1gとロジウム0.1gを含有する塩化
白金酸と塩化ロジウム酸との混合水溶液を加え、大気中
200℃で24時間十分に乾燥させた後、水素炉中700℃で2
時間に渡り、熱分解し、触媒である白金とロジウムとを
上記アルミナ粉末上に析出させる。このように触媒を析
出させたアルミナ粉末に、バインダーとして2gのエチル
セルロースを添加し、これらをブチカルビトール(2−
(2−ブトキシエトキシ)エタノールの商品名)中で混
合し、300ポイズの粘度にして上層用ペーストを調整す
る。
To 1 mol of activated alumina having an average particle size of 0.5 μm, a predetermined amount of a nitrate aqueous solution or chloride aqueous solution containing a metal of an oxygen storage metal oxide (see Table 1) was added, and the mixture was allowed to stand for 10 minutes. Fully dry for 12 hours at ℃,
Alumina powder is obtained by firing in air at 850 ° C. To this alumina powder, a mixed aqueous solution of chloroplatinic acid and chlororhodic acid containing 1 g of platinum and 0.1 g of rhodium was added, and the mixture was placed in the air.
After fully drying at 200 ° C for 24 hours, 2 hours at 700 ° C in a hydrogen furnace
Pyrolysis is performed over a period of time to deposit catalysts platinum and rhodium on the alumina powder. In this way, 2 g of ethyl cellulose was added as a binder to the alumina powder on which the catalyst was deposited, and these were added to butycarbitol (2-
(2-Butoxyethoxy) ethanol (trade name) is mixed to a viscosity of 300 poise to prepare the upper layer paste.

そして、先ず、チタニア粒ペーストを厚膜印刷技術で窓
部18aに200μmの厚さに充填し、次いで、上層用ペース
トをチタニア粒ペーストに重ねて100μmの厚さに充填
し、さらにAl2O3のコート層24を積層する。
Then, the titania grain paste is first filled in the window portion 18a to a thickness of 200 μm by the thick film printing technique, and then the upper layer paste is stacked on the titania grain paste to a thickness of 100 μm, and further Al 2 O 3 is added. The coat layer 24 is laminated.

その後、上記工程を終えた積層体を1200℃の大気中に1
時間放置して焼成する。(第5図(イ)、(ロ))。
尚、従来は感ガス層中の触媒量は、白金5モル%、ロジ
ウム0.5モル%程度である。したがって、本実施例の感
ガス層中に含まれる触媒量は従来のものより、非常に少
ない。
After that, the laminated body that has undergone the above steps is placed in the atmosphere at 1200 ° C for 1
Let stand for time and bake. (Fig. 5 (a), (b)).
Conventionally, the catalyst amount in the gas sensitive layer is about 5 mol% platinum and about 0.5 mol% rhodium. Therefore, the amount of catalyst contained in the gas-sensitive layer of this example is much smaller than that of the conventional one.

<実験> 上層中に酸素吸蔵性金属酸化物を含んだ場合(実施例)
について、下記のように非平衡ガス中における応答速
度、耐久性を調べた。
<Experiment> When oxygen storage metal oxide is included in the upper layer (Example)
The response speed and durability in the non-equilibrium gas were investigated as described below.

上記の工程において上層用ペースト中の酸素吸蔵性金
属酸化物の種類、含有量を第1表のように変えて本実施
例の酸素ガス検出器の試料を作成する。尚、第1表中
で、酸素吸蔵性金属酸化物の含有量(モル%)は、活性
アルミナに対する量である。また、酸素吸蔵性の金属酸
化物として、CeO2、La2O3を用いる場合には上記の工
程でその硝酸塩水溶液を用い、Eu2O3、Nb2O3を用いる場
合にはその塩化物水溶液を用いる。
In the above process, the type and content of the oxygen-storing metal oxide in the upper layer paste are changed as shown in Table 1 to prepare a sample of the oxygen gas detector of this example. In Table 1, the oxygen storage metal oxide content (mol%) is the amount based on activated alumina. As the oxygen-storing metal oxide, CeO 2 , when using La 2 O 3 , the nitrate aqueous solution is used in the above step, and when using Eu 2 O 3 and Nb 2 O 3 , its chloride is used. Use an aqueous solution.

また比較例として、酸素吸蔵性金属酸化物を含まない上
層を有する試料を作成し、実施例の試料と同じく非平衡
ガス中における応答速度、耐久性について調べた。試料
番号A−1は触媒量が実施例と同量であり、試料番号A
−2は触媒量が従来の酸素ガス検出器と同程度のチタニ
ア100gに対して白金5g、ロジウム0.5gであり、試料番号
A−3は触媒量が従来の酸素ガス検出器より多く、チタ
ニア100gに対して白金20g、ロジウム2gを各々担持させ
たものである。
As a comparative example, a sample having an upper layer containing no oxygen-storing metal oxide was prepared, and the response speed and durability in a non-equilibrium gas were examined in the same manner as the sample of the example. Sample No. A-1 has the same amount of catalyst as in the example, and Sample No. A-1
-2 is 5 g of platinum and 0.5 g of rhodium for 100 g of titania whose catalyst amount is the same as that of the conventional oxygen gas detector, and sample number A-3 has a larger amount of catalyst than the conventional oxygen gas detector, 100 g of titania. On the other hand, 20 g of platinum and 2 g of rhodium are respectively supported.

このようにして、作成した試料を酸素ガス検出器に組み
立たてた後に、次の実験によって各試料の非平衡ガスに
おける応答速度、耐久性を測定する。実験の結果も第1
表に合わせて示す。尚、第1表中において、応答速度の
単位はmesc、である。
After assembling the sample thus prepared in the oxygen gas detector, the response speed and durability of each sample in the non-equilibrium gas are measured by the following experiments. The result of the experiment is also the first
Shown according to the table. In Table 1, the unit of response speed is mesc.

・非平衡ガス中における応答速度 排ガスが非平衡ガスであるプロパンガスバーナの排
ガス中に酸素ガス検出器として組み立てられた試料Sを
さらす。このプロパンガスバーナは排気温が350℃で、
かつ1秒毎に空気燃料比が燃料過剰(以下リッチとい
う、空気燃料比λ=0.9)と燃料不足(以下リーンとい
う、λ=1.1)との間で変化するよう制御されている。
この空燃比の変更は第6図に示すように、燃焼後の排気
温500℃の排ガス中に空気あるいはプロパンガスを添加
することによって行う。
-Response speed in non-equilibrium gas The sample S assembled as an oxygen gas detector is exposed to the exhaust gas of a propane gas burner whose exhaust gas is a non-equilibrium gas. This propane gas burner has an exhaust temperature of 350 ° C,
Moreover, the air-fuel ratio is controlled to change between the fuel excess (hereinafter referred to as rich, air fuel ratio λ = 0.9) and the fuel shortage (hereinafter referred to as lean λ = 1.1) every second.
This change of the air-fuel ratio is carried out by adding air or propane gas to the exhaust gas having an exhaust temperature of 500 ° C. after combustion, as shown in FIG.

排ガスが燃料過剰のときに酸素ガス検出器10の出力
が1V、リーンの時の出力が0Vとなるように、酸素ガス検
出器に加える電圧を調整する。
The voltage applied to the oxygen gas detector is adjusted so that the output of the oxygen gas detector 10 is 1 V when the exhaust gas is in excess of fuel and the output is 0 V when lean.

応答速度として、雰囲気がリーンからリッチに変わ
る時の酸素ガス検出器10の出力が300mVから600mVに変化
する時間(表中では1→rと記す)と、雰囲気がリッチ
からリーンに変わる時の出力が600mVから300mVに変化す
る時間(表中ではr→1と記す)を測定する。
As the response speed, the time when the output of the oxygen gas detector 10 changes from 300 mV to 600 mV when the atmosphere changes from lean to rich (indicated as 1 → r in the table), and the output when the atmosphere changes from rich to lean Is measured from 600 mV to 300 mV (r → 1 in the table).

・耐久性 酸素ガス検出器として組み立てられた試料を実車に
取り付け、所定の耐久パターンで運転し、運転の前後の
応答速度変化から耐久性を調べる。すなわち、酸素ガス
検出器Sは、第7図に示すように市販の2000ccのEFI付
3元触媒車のエンジンEngと3元触媒THCとの間の排気管
Manに取り付けられる。そして、制御ユニットUniは酸素
ガス検出器Sの出力に応じてエンジンの運転状態を制御
する。酸素ガス検出器Sの出力は第8図の如き回路で検
出される。ここで、Bは電源、Rcは比較抵抗である。
-Durability A sample assembled as an oxygen gas detector is attached to an actual vehicle, operated according to a specified durability pattern, and durability is examined from the change in response speed before and after operation. That is, as shown in FIG. 7, the oxygen gas detector S is an exhaust pipe between the engine Eng and the three-way catalyst THC of a commercially available 2000cc three-way catalyst vehicle with EFI.
Attached to Man. Then, the control unit Uni controls the operating state of the engine according to the output of the oxygen gas detector S. The output of the oxygen gas detector S is detected by the circuit as shown in FIG. Here, B is a power supply and Rc is a comparison resistance.

上記エンジンEngを、第9図に示す耐久パターンで3
00時間運転する。なお、図中の実線は試料の温度、破線
は排気ガスの温度を示している。
The engine Eng described above is used in the endurance pattern shown in FIG.
Drive for 00 hours. The solid line in the figure shows the temperature of the sample, and the broken line shows the temperature of the exhaust gas.

この運転の前後で、上述の応答速度を測定し、その変化
をもって耐久性の結果とする。すなわち、運転の前後
で、応答速度の変化の少ない試料ほど耐久性に優れてい
ると判定する。なお、第1表中では、運転前を初期、運
転後を耐久試験後と記す。
The response speed described above is measured before and after this operation, and the change is taken as the durability result. That is, it is determined that the sample having less change in response speed before and after the operation has more excellent durability. In Table 1, before operation is described as initial and after operation as after durability test.

上記実験から次のことが分かった。 From the above experiment, the following was found.

本実施例の酸素ガス検出器は、小量の触媒でも、A
−2に示すような従来の酸素ガス検出器と同程度の応答
速度を有する。これは、酸素吸蔵性金属酸化物が触媒近
傍の空燃比を常に最適な状態に保っているために、触媒
の働きが大きくなっているためと思われる。尚、B−
8、B−22のように酸素吸蔵性金属酸化物の含有量が多
い場合には、応答速度が比較的遅い。これは、酸素吸蔵
性の効果が強くなり過ぎたためと思われる。
The oxygen gas detector according to the present embodiment has a
The response speed is similar to that of the conventional oxygen gas detector as shown by -2. This is probably because the oxygen storage metal oxide always keeps the air-fuel ratio in the vicinity of the catalyst in an optimum state, and the function of the catalyst is increased. B-
8, when the content of the oxygen-storing metal oxide is large like B-22, the response speed is relatively slow. This is probably because the oxygen storage effect became too strong.

本実施例の酸素ガス検出器は、比較例の酸素ガス検
出器に比べ、耐久性が優れる。これは、耐久試験後に触
媒自体の性能が劣化しても、酸素吸蔵性金属酸化物の効
果により、触媒の性能が最大限に発揮されるため、上層
としての平衡化の能力が低下しないためと思われる。
The oxygen gas detector of this example is superior in durability to the oxygen gas detector of the comparative example. This is because even if the performance of the catalyst itself deteriorates after the durability test, the performance of the catalyst is maximized due to the effect of the oxygen storage metal oxide, and therefore the equilibration ability as the upper layer does not decrease. Seem.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

第1図は本発明の一実施例の部分破断斜視図、 第2図ないし第5図は実施例の製造の説明図、 第6図は応答性の試験に用いるプロパンガスバーナの説
明図、 第7図および第8図は酸素ガス検出器を内燃機関に使用
する耐久性試験の要領説明図、 第9図はその耐久パターン図である。 10……酸素ガス検出器、 12……セラミック基板、 16、16a、16b……検出用電極、 16e……熱抵抗電極、 18a……窓部、 18……セラミック積層板、 20……感ガス層、 22……球形造粒粒子、 24……上層、 24a……酸化触媒層、 24b……還元触媒層
FIG. 1 is a partially cutaway perspective view of an embodiment of the present invention, FIGS. 2 to 5 are illustrations of manufacturing of the embodiment, FIG. 6 is an illustration of a propane gas burner used for a response test, and FIG. FIG. 8 and FIG. 8 are explanatory views of the procedure of a durability test using an oxygen gas detector in an internal combustion engine, and FIG. 9 is a durability pattern diagram thereof. 10 ... Oxygen gas detector, 12 ... Ceramic substrate, 16, 16a, 16b ... Detection electrode, 16e ... Thermal resistance electrode, 18a ... Window, 18 ... Ceramic laminated plate, 20 ... Sensitive gas Layer, 22 ... Spherical granulated particles, 24 ... upper layer, 24a ... Oxidation catalyst layer, 24b ... Reduction catalyst layer

Claims (2)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】一対の電極と、 該一対の電極を覆い、感ガス性金属酸化物を含み、周囲
の酸素ガス成分の濃度に応じて電気抵抗が変化する多孔
質の感ガス層と、 該感ガス層を覆う上層と、 を備え、 上記上層が、 上記感ガス性金属酸化物とは異なる酸素吸蔵性の金属酸
化物を含むとともに触媒を担持したことを特徴とする酸
素ガス検出器。
1. A pair of electrodes, a porous gas-sensitive layer that covers the pair of electrodes, contains a gas-sensitive metal oxide, and has an electric resistance that changes according to the concentration of the surrounding oxygen gas component, An oxygen gas detector, comprising: an upper layer that covers the gas-sensitive layer, wherein the upper layer contains a metal oxide having an oxygen storage property different from that of the gas-sensitive metal oxide and carries a catalyst.
【請求項2】上記酸素吸蔵性の金属酸化物が、CeO2、La
2O3、Nd2O3、Eu2O3から選ばれた1種、あるいは該金属
酸化物から選ばれた2種以上の複合化合物のいずれかで
ある特許請求の範囲第1項記載の酸素ガス検出器。
2. The oxygen-storing metal oxide is CeO 2 , La
The oxygen according to claim 1, which is either one selected from 2 O 3 , Nd 2 O 3 and Eu 2 O 3 or a composite compound of two or more selected from the metal oxides. Gas detector.
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