JP2001141693A - Solid electrolyte type nitrogen oxide gas sensor element - Google Patents

Solid electrolyte type nitrogen oxide gas sensor element

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JP2001141693A
JP2001141693A JP31984199A JP31984199A JP2001141693A JP 2001141693 A JP2001141693 A JP 2001141693A JP 31984199 A JP31984199 A JP 31984199A JP 31984199 A JP31984199 A JP 31984199A JP 2001141693 A JP2001141693 A JP 2001141693A
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JP
Japan
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solid electrolyte
nitrogen oxide
oxide gas
sensor element
electromotive force
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JP31984199A
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Japanese (ja)
Inventor
Mitsuhiko Matsui
光彦 松井
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Tokuyama Corp
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Tokuyama Corp
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a solid electrolyte type nitrogen oxide gas sensor in which an electromotive force and a current value hardly change even after the sensor is left without being heated, in a high humidity ambience or a high moisture concentration ambience such as a condensed ambience or the like, and a change of the electromotive force and the current value can be reduced even when a long time has passed after an operation start and can be held within 2.0% as compared with at the operation start. SOLUTION: The solid electrolyte type nitrogen oxide gas sensor element has a pair of electrode layers formed to a surface of a solid electrolyte layer including at least one selected from Li2Si2O5, Li2TiSiO5, LiLaSi04 and LiLa9(Si04)6O2. The solid electrolyte type nitrogen oxide gas sensor element has a pair of electrode layers formed to a surface of a solid electrolyte layer particularly including at least one selected from (a) Li2Si2O5, Li2TiSiO5, LiLaSiO4 and LiLa9(SiO4)6O2 and at least one selected from (b) titanium oxide, silica, zirconia and zirconium silicate.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、燃焼制御設備や環
境計測設備などに組み込まれて、雰囲気中の窒素酸化物
ガス濃度を測定するためのガスセンサ素子に関する。更
に、詳しくは、本発明は、高湿度環境下での安定性の向
上、並びに経時安定性の向上が達成された固体電解質型
窒素酸化物ガスセンサ素子に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a gas sensor element for measuring the concentration of nitrogen oxide gas in an atmosphere, which is incorporated in a combustion control facility or an environmental measuring facility. More specifically, the present invention relates to a solid oxide nitrogen oxide gas sensor element having improved stability in a high humidity environment and improved stability over time.

【0002】[0002]

【従来の技術】近年、環境問題に対する関心が高まって
おり、大気中に放出される窒素酸化物ガス濃度を計測制
御するためのセンサが注目されている。このようなセン
サのなかで、固体電解質の起電力や電流値の変化を利用
した固体電解質型窒素酸化物ガスセンサ素子が、小型・
簡便・安価であることから、その実用化が熱望されてい
る。
2. Description of the Related Art In recent years, there has been an increasing interest in environmental issues, and a sensor for measuring and controlling the concentration of nitrogen oxide gas released into the atmosphere has attracted attention. Among such sensors, a solid electrolyte type nitrogen oxide gas sensor element utilizing changes in the electromotive force and current value of the solid electrolyte is one of the most compact and compact.
Because of its simplicity and low cost, its practical application is eagerly desired.

【0003】こうした固体電解質型窒素酸化物ガスセン
サ素子は、イオン伝導体である固体電解質層の表面に、
一対の電極層が形成された構造をしている。これらのセ
ンサ素子は、通常100℃〜500℃の一定温度に加熱
された状態で作動し、窒素酸化物ガスを含む雰囲気中に
放置されて使用される。
[0003] Such a solid electrolyte type nitrogen oxide gas sensor element has a structure in which a surface of a solid electrolyte layer, which is an ion conductor, is provided.
It has a structure in which a pair of electrode layers are formed. These sensor elements usually operate in a state where they are heated to a constant temperature of 100 ° C. to 500 ° C., and are used in an atmosphere containing a nitrogen oxide gas.

【0004】このような窒素酸化物ガスセンサの固体電
解質層としては、一般にNASICON(Na1+AZr2
SiA3-A12、但し0≦A≦3)、β−Al23など
の陽イオン伝導体が用いられている。また、窒素酸化物
ガス濃度の検知方法としては、起電力検知方式や電流検
知方式等が知られている。
As a solid electrolyte layer of such a nitrogen oxide gas sensor, NASICON (Na 1 + A Zr 2) is generally used.
A cationic conductor such as Si A P 3-A O 12 , where 0 ≦ A ≦ 3) and β-Al 2 O 3 is used. Further, as a method of detecting the nitrogen oxide gas concentration, an electromotive force detection method, a current detection method, and the like are known.

【0005】上記の構成の固体電解質型窒素酸化物ガス
センサは、雰囲気中に含まれる窒素酸化物ガス濃度を正
確に測定でき、さらに、小型で安価に作製できるため、
汎用性の高いセンサ素子として受け入れられている。
[0005] The solid oxide nitrogen oxide gas sensor having the above structure can accurately measure the concentration of nitrogen oxide gas contained in the atmosphere, and can be made small and inexpensive.
It is accepted as a highly versatile sensor element.

【0006】[0006]

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、これま
でに開発された固体電解質を利用した窒素酸化物ガスセ
ンサは、加熱を中断して作動を止めた状態で、高湿度雰
囲気や結露雰囲気などのように水分濃度の高い雰囲気中
に放置されると、その後、再び作動を開始した時に、同
一の窒素酸化物ガス濃度であっても、測定される起電力
や電流値が、放置前の値に比べて著しく低下するという
問題点を有していた。
However, a nitrogen oxide gas sensor using a solid electrolyte, which has been developed so far, has a problem in that the operation is stopped and the operation is stopped in a high humidity atmosphere or a dew atmosphere. When left in an atmosphere with a high moisture concentration, when the operation is started again, even if the nitrogen oxide gas concentration is the same, the measured electromotive force and current value are lower than the values before leaving. There was a problem that it was significantly reduced.

【0007】さらに、一定の加熱温度に保持して作動さ
せても、時間の経過とともに上記起電力や電流値が低下
し続け、例えば1000時間経過後に約20%低下する
という問題点も有していた。
Further, even if the device is operated while being maintained at a constant heating temperature, there is a problem that the above-mentioned electromotive force and current value continue to decrease over time, for example, about 20% after 1000 hours. Was.

【0008】これらの問題点は、固体電解質型窒素酸化
物ガスセンサの実用化を妨げる要因になっていた。従っ
て、高湿度や結露などのように水分濃度の高い雰囲気中
に非加熱の状態で長時間放置されても、測定される起電
力や電流値の変化を生じることがなく、また、長時間の
作動によっても起電力や電流値が作動開始時と変わらな
い固体電解質型窒素酸化物ガスセンサの開発が望まれて
いた。
[0008] These problems are factors that hinder the practical use of the solid oxide nitrogen oxide gas sensor. Therefore, even if the device is left unheated for a long time in an atmosphere having a high moisture concentration such as high humidity or dew condensation, the measured electromotive force and current value do not change. There has been a demand for the development of a solid oxide nitrogen oxide gas sensor in which the electromotive force and the current value are the same as those at the start of operation.

【0009】[0009]

【課題を解決するための手段】本発明者は、上記特性を
有する固体電解質型窒素酸化物ガスセンサを開発すべく
鋭意研究を重ねてきた。その結果、固体電解質層とし
て、Li2Si25、Li2TiSiO5、LiLaSi
4、及びLiLa9(SiO462から選ばれる少な
くとも1種を含むものを用いることにより、高湿度や結
露などのように水分濃度の高い雰囲気中に非加熱で放置
されても、起電力や電流値が放置前とほとんど変わら
ず、しかも、作動開始から1000時間が経過しても起
電力や電流値の変化が極めて小さく、作動開始時に比べ
て2.0%以内とすることも可能である固体電解質型窒
素酸化物ガスセンサが得られることを見い出し、本発明
を提案するに至った。
Means for Solving the Problems The present inventors have intensively studied to develop a solid electrolyte type nitrogen oxide gas sensor having the above characteristics. As a result, Li 2 Si 2 O 5 , Li 2 TiSiO 5 , LiLaSi
By using a material containing at least one selected from O 4 and LiLa 9 (SiO 4 ) 6 O 2 , even if it is left unheated in an atmosphere having a high moisture concentration such as high humidity or dew, The electromotive force and the current value are almost the same as before leaving, and the change of the electromotive force and the current value is extremely small even after 1000 hours from the start of the operation, and may be within 2.0% compared to the time of the start of the operation. It has been found that a solid electrolyte type nitrogen oxide gas sensor that can be obtained is obtained, and the present invention has been proposed.

【0010】即ち、本発明は、Li2Si25、Li2
iSiO5、LiLaSiO4、及びLiLa9(Si
462から選ばれる少なくとも1種を含む固体電解
質層の表面に、一対の電極層が形成されてなる固体電解
質型窒素酸化物ガスセンサ素子であり、他の発明は、
(a)Li2Si25、Li2TiSiO5、LiLaS
iO4、及びLiLa9(SiO462から選ばれる少
なくとも1種と、(b)酸化チタン、シリカ、ジルコニ
ア、及び珪酸ジルコニウムから選ばれる少なくとも1種
とを含む固体電解質層の表面に、一対の電極層が形成さ
れてなる固体電解質型窒素酸化物ガスセンサ素子であ
る。
That is, the present invention relates to Li 2 Si 2 O 5 , Li 2 T
iSiO 5 , LiLaSiO 4 , and LiLa 9 (Si
A solid electrolyte type nitrogen oxide gas sensor element comprising a pair of electrode layers formed on the surface of a solid electrolyte layer containing at least one selected from O 4 ) 6 O 2 .
(A) Li 2 Si 2 O 5 , Li 2 TiSiO 5 , LiLaS
On the surface of a solid electrolyte layer containing at least one selected from iO 4 and LiLa 9 (SiO 4 ) 6 O 2 and (b) at least one selected from titanium oxide, silica, zirconia and zirconium silicate, This is a solid electrolyte type nitrogen oxide gas sensor element formed with a pair of electrode layers.

【0011】[0011]

【発明の実施の形態】以下に、本発明の窒素酸化物ガス
センサ素子の構成について詳細に説明する。
DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS The structure of the nitrogen oxide gas sensor element of the present invention will be described below in detail.

【0012】本発明の固体電解質型窒素酸化物ガスセン
サ素子の測定対象ガスは、窒素酸化物ガスである。かか
る窒素酸化物ガスは、公知のものが特に制限なく測定で
きるが、通常は、一酸化窒素ガス、二酸化窒素ガス、及
びこれらの混合ガスが対象になる。
The gas to be measured by the solid oxide nitrogen oxide gas sensor element of the present invention is a nitrogen oxide gas. Known nitrogen oxide gas can be measured without any particular limitation, but usually includes nitrogen monoxide gas, nitrogen dioxide gas, and a mixed gas thereof.

【0013】本発明においては、固体電解質層が、Li
2Si25、Li2TiSiO5、LiLaSiO4、及び
LiLa9(SiO462から選ばれる少なくとも1種
(以下、これらをLi系複合酸化物とも総称する。)を
含むことが重要である。このような固体電解質層を用い
ることにより、本発明の窒素酸化物ガスセンサ素子は、
高湿度環境下に非加熱で放置された際の起電力や電流値
が、放置前と比較してほとんど変化しないものになる。
また、作動開始後において、起電力もしくは電流値の変
化を極めて小さくすることができる。本発明において、
上記効果をより顕著に発揮させるためには、Li2Ti
SiO5を含む固体電解質層を用いるのが特に好まし
い。
In the present invention, the solid electrolyte layer is made of Li
It is important to include at least one selected from the group consisting of 2 Si 2 O 5 , Li 2 TiSiO 5 , LiLaSiO 4 , and LiLa 9 (SiO 4 ) 6 O 2 (hereinafter, these are also collectively referred to as Li-based composite oxides). It is. By using such a solid electrolyte layer, the nitrogen oxide gas sensor element of the present invention,
The electromotive force and current value when left unheated in a high-humidity environment hardly change compared to before.
Further, after the start of the operation, the change in the electromotive force or the current value can be made extremely small. In the present invention,
In order to exhibit the above effect more remarkably, Li 2 Ti
It is particularly preferable to use a solid electrolyte layer containing SiO 5 .

【0014】また、本発明においては、高湿度環境下へ
の非加熱放置後の起電力あるいは電流値変化を防止する
効果を一層顕著に発揮させることができ、また、作動開
始後における起電力や電流値の変化を更に少なくして、
作動開始から1000時間経過後において作動開始時に
比べて0.5%以内にすることも可能であることから、
固体電解質層はさらに、酸化チタン、シリカ、ジルコニ
ア、及び珪酸ジルコニウムから選ばれる少なくとも1種
が含まれていることが好ましい。特に酸化チタンとジル
コニアがより優れた効果を示すことから好ましい。
Further, in the present invention, the effect of preventing a change in the electromotive force or the current value after being left unheated in a high-humidity environment can be exhibited more remarkably. By further reducing the change in the current value,
After 1000 hours from the start of operation, it is possible to make it within 0.5% compared to the start of operation.
It is preferable that the solid electrolyte layer further contains at least one selected from titanium oxide, silica, zirconia, and zirconium silicate. In particular, titanium oxide and zirconia are preferable because they exhibit more excellent effects.

【0015】固体電解質層中に含まれる酸化チタン、シ
リカ、ジルコニア、及び珪酸ジルコニウムから選ばれる
少なくとも1種の含有量は特に制限されないが、固体電
解質層が簡便に形成でき、また、高湿度環境下での特性
がより安定に発揮されることから、Li系複合酸化物に
対してモル比で0.05〜20倍であることが好まし
く、特にモル比で0.2〜10倍であることが好まし
い。
The content of at least one selected from the group consisting of titanium oxide, silica, zirconia and zirconium silicate contained in the solid electrolyte layer is not particularly limited, but the solid electrolyte layer can be easily formed, and in a high humidity environment. Is preferably 0.05 to 20 times in molar ratio with respect to the Li-based composite oxide, and more preferably 0.2 to 10 times in molar ratio with respect to the Li-based composite oxide. preferable.

【0016】本発明において、Li系複合酸化物を含む
固体電解質層の製造方法は、公知の方法が特に制限なく
採用される。代表的な製造方法としては、固体電解質
の合成原料を混合し焼成後、これを成形・焼結する方
法、固体電解質の合成原料を混合した後、焼成するこ
となく成形・焼結する方法等を挙げることができる。
In the present invention, as a method for producing a solid electrolyte layer containing a Li-based composite oxide, a known method is employed without any particular limitation. Typical production methods include a method of mixing and firing a solid material for synthesis of a solid electrolyte and molding and sintering the same, and a method of mixing and mixing the raw material for synthesis of a solid electrolyte and then shaping and sintering without firing. Can be mentioned.

【0017】上記の製造方法の一般的な例を以下に述
べる。固体電解質の合成原料の調製は、炭酸リチウム、
シリカ、酸化チタン、炭酸ランタンなどから選ばれる、
目的とするLi系複合酸化物に応じた合成原料をボール
ミル等を用いて混合する方法か、又はLiOCH3等の
リチウムアルコキシド、Si(OC254等のシリコ
ンアルコキシド、Ti(O-n-C494等のチタニウ
ムアルコキシド、La(OC253等のランタンアル
コキシドから選ばれる、目的とするLi系複合酸化物に
応じた金属アルコキシドを混合しこれを加水分解および
乾燥させる等の方法が一般に採用される。このようにし
て調整された合成原料の混合物を、400℃〜1300
℃の温度範囲で焼成することにより、目的とするLi系
複合酸化物を合成することができる。
A general example of the above manufacturing method will be described below. Preparation of solid electrolyte synthesis raw material, lithium carbonate,
Selected from silica, titanium oxide, lanthanum carbonate, etc.
A method of mixing synthetic raw materials corresponding to the target Li-based composite oxide using a ball mill or the like, or a lithium alkoxide such as LiOCH 3, a silicon alkoxide such as Si (OC 2 H 5 ) 4 , Ti (On) A metal alkoxide selected from titanium alkoxides such as -C 4 H 9 ) 4 and lanthanum alkoxides such as La (OC 2 H 5 ) 3 according to the target Li-based composite oxide, and hydrolyzed and dried. In general, such a method is adopted. The mixture of the synthesis raw materials adjusted in this manner is heated at 400 ° C to 1300 ° C.
By firing in a temperature range of ° C., a target Li-based composite oxide can be synthesized.

【0018】例えば、Li2Si25の場合は、合成原
料として、炭酸リチウムとシリカ、又はLiOCH3
Si(OC254等の金属アルコキシドを用い、Li
とSiをLi:Si=1:1のモル比で反応させること
により、該Li2Si25を合成することができる。
For example, in the case of Li 2 Si 2 O 5 , a metal alkoxide such as lithium carbonate and silica or LiOCH 3 and Si (OC 2 H 5 ) 4 is used as a synthesis raw material, and Li 2
And Si are reacted at a molar ratio of Li: Si = 1: 1, whereby the Li 2 Si 2 O 5 can be synthesized.

【0019】同様に、Li2TiSiO5の場合は、合成
原料として、炭酸リチウム、酸化チタン及びシリカ、又
はLiOCH3、Ti(O-n-C494及びSi(OC
254等の金属アルコキシドを用い、Li、Tiおよ
びSiをLi:Ti:Si=2:1:1のモル比で反応
させることにより、該Li2TiSiO5を合成すること
ができる。
Similarly, in the case of Li 2 TiSiO 5 , lithium carbonate, titanium oxide and silica, or LiOCH 3 , Ti (OnC 4 H 9 ) 4 and Si (OC
Li 2 TiSiO 5 can be synthesized by using a metal alkoxide such as 2 H 5 ) 4 and reacting Li, Ti and Si in a molar ratio of Li: Ti: Si = 2: 1: 1.

【0020】同様に、LiLaSiO4の場合は、合成
原料として、炭酸リチウム、炭酸ランタン及びシリカ、
又はLiOCH3、La(OC253及びSi(OC2
5 4等の金属アルコキシドを用い、Li、La及びS
iをLi:La:Si=1:1:1のモル比で反応させ
ることにより、該LiLaSiO4を合成することがで
きる。
Similarly, LiLaSiOFourIf
As raw materials, lithium carbonate, lanthanum carbonate and silica,
Or LiOCHThree, La (OCTwoHFive)ThreeAnd Si (OCTwo
HFive) FourLi, La and S
i at a molar ratio of Li: La: Si = 1: 1: 1
By doing so, the LiLaSiOFourCan be synthesized
Wear.

【0021】さらに、LiLa9(SiO462の場合
は、合成原料として、炭酸リチウム、炭酸ランタン及び
シリカ、又はLiOCH3、La(OC253及びSi
(OC254等の金属アルコキシドを用い、Li、L
a及びSiをLi:La:Si=1:9:6のモル比で
反応させることにより、該LiLa9(SiO462
合成することができる。
Furthermore, in the case of LiLa 9 (SiO 4 ) 6 O 2 , lithium carbonate, lanthanum carbonate and silica, or LiOCH 3 , La (OC 2 H 5 ) 3 and Si
Using a metal alkoxide such as (OC 2 H 5 ) 4 , Li, L
By reacting a and Si in a molar ratio of Li: La: Si = 1: 9: 6, the LiLa 9 (SiO 4 ) 6 O 2 can be synthesized.

【0022】なお、金属アルコキシドのみを出発原料に
用いた場合は、該金属アルコキシドの加水分解および乾
燥のみでも固体電解質層を得ることができる。
When only a metal alkoxide is used as a starting material, a solid electrolyte layer can be obtained only by hydrolysis and drying of the metal alkoxide.

【0023】次に、合成された粉末状の固体電解質を層
状物に成形する方法としては、一軸プレス、等方静水圧
プレス等のプレスによって成型した後、焼結する方法、
粉末をバインダー及び溶媒と混練してペースト化した後
にドクターブレード法などによりグリーンシート化して
焼結する方法、該ペーストをスクリーン印刷法などによ
って基板上に厚膜として形成した後、焼成して基板上に
焼き付ける方法などが一般に採用される。成形後、50
0℃〜1500℃の温度範囲で加熱して焼結させること
により、Li2Si25、Li2TiSiO5、LiLa
SiO4、及びLiLa9(SiO462から選ばれる
少なくとも1種を含む固体電解質層を得ることができ
る。
Next, as a method of forming the synthesized powdery solid electrolyte into a layered material, a method of forming by a press such as a uniaxial press or an isostatic press, followed by sintering,
A method in which the powder is kneaded with a binder and a solvent to form a paste, which is then formed into a green sheet by a doctor blade method or the like and sintered, the paste is formed as a thick film on a substrate by a screen printing method or the like, and then fired to form a paste on the substrate. In general, a method of baking is used. After molding, 50
By heating and sintering in the temperature range of 0 ° C. to 1500 ° C., Li 2 Si 2 O 5 , Li 2 TiSiO 5 , LiLa
SiO 4, and Lila 9 can be obtained a solid electrolyte layer comprising at least one selected from the (SiO 4) 6 O 2.

【0024】次に、上記の製造方法の一般的な例を以
下に述べる。合成原料の調製はの製造方法と同様に行
うことができる。の製造方法では、合成原料を焼成す
ることなく成形した後加熱する。成形方法としてはの
製造方法と同様に一軸プレス、等方静水圧プレス等のプ
レスによって成型する方法、粉末をバインダー及び溶媒
と混練してペースト化した後にドクターブレード法など
によりグリーンシートとする方法、さらには該ペースト
をスクリーン印刷法などによって基板上に厚膜として形
成する方法等を挙げることができる。更に、金属アルコ
キシドを出発原料とした場合は、加水分解して乾燥する
際にシート状に成形する方法を採ることもできる。成形
後、目的とするLi系複合酸化物の合成およびその焼結
を兼ねて、500℃〜1500℃の温度範囲で加熱する
ことにより、所望のLi系複合酸化物を含む固体電解質
層を得ることができる。
Next, a general example of the above manufacturing method will be described below. The synthesis raw material can be prepared in the same manner as in the production method. In the production method described above, the synthetic raw material is molded without firing, and then heated. As a molding method, a uniaxial press in the same manner as the production method, a method of molding by pressing such as isostatic pressing, a method of kneading the powder with a binder and a solvent to form a green sheet by a doctor blade method or the like, Further, a method of forming the paste as a thick film on a substrate by a screen printing method or the like can be used. Further, when a metal alkoxide is used as a starting material, a method of forming into a sheet when hydrolyzing and drying may be employed. After forming, a solid electrolyte layer containing a desired Li-based composite oxide is obtained by heating in a temperature range of 500 ° C. to 1500 ° C. while also synthesizing and sintering the target Li-based composite oxide. Can be.

【0025】これらの製造方法以外に、Li2O、シリ
カ、酸化チタン、酸化ランタンなどの合成原料の混合物
をターゲットとして、スパッタリングや蒸着などの薄膜
形成技術を用いて固体電解質層を得ることもできる。
In addition to these manufacturing methods, a solid electrolyte layer can be obtained by using a thin film forming technique such as sputtering or vapor deposition with a target of a mixture of synthetic raw materials such as Li 2 O, silica, titanium oxide, and lanthanum oxide. .

【0026】本発明において、固体電解質層に、上記L
i系複合酸化物に加えて、酸化チタン、シリカ、ジルコ
ニア、及び珪酸ジルコニウムから選ばれる少なくとも1
種が含まれる場合において、該固体電解質層の製造方法
は、公知の方法が特に制限なく採用される。代表的な製
造方法としては、i)前記した及びと同様な方法に
よりLi系化合物を製造するに際し、生成するLi系複
合酸化物に、酸化チタン、シリカ、ジルコニア、及び珪
酸ジルコニウムから選ばれる少なくとも1種が混入され
るように、合成原料の組成を調整する方法、ii)Li系
複合酸化物の粉末と、酸化チタン、シリカ、ジルコニ
ア、及び珪酸ジルコニウムから選ばれる少なくとも1種
の粉末とをそれぞれを混合し、これを成形する方法を挙
げることができる。
In the present invention, the solid electrolyte layer is provided with the above L
In addition to the i-based composite oxide, at least one selected from titanium oxide, silica, zirconia, and zirconium silicate
In the case where a seed is included, a known method is employed without particular limitation as a method for producing the solid electrolyte layer. As a typical production method, i) at the time of producing a Li-based compound by the same method as described above, the Li-based composite oxide to be produced contains at least one selected from titanium oxide, silica, zirconia, and zirconium silicate. A method of adjusting the composition of the synthesis raw material so that the seeds are mixed; ii) a powder of the Li-based composite oxide and at least one powder selected from titanium oxide, silica, zirconia, and zirconium silicate; The method of mixing and shaping this can be mentioned.

【0027】上記i)のうち、Li2Si25と酸化チ
タンとを含む固体電解質層の製造は、前記した及び
と同様な方法により該Li2Si25を製造するにおい
て、例えば、合成原料である炭酸リチウムとシリカとを
混合、又はLiOCH3とSi(OC254とを混合す
る際に、さらに、酸化チタン又はTi(O-n-C4 9
4を混合すれば良い。
Of the above i), LiTwoSiTwoOFiveAnd oxidation
And the production of a solid electrolyte layer comprising
Li by the same method asTwoSiTwoOFiveManufacturing smell
Thus, for example, the synthesis raw materials lithium carbonate and silica
Mixed or LiOCHThreeAnd Si (OCTwoHFive)FourMix with
In addition, titanium oxide or Ti (On-CFourH 9)
FourShould be mixed.

【0028】上記i)のうち、Li2Si25とシリカ
とを含む固体電解質層の製造は、同様に、合成原料であ
る炭酸リチウムとシリカとを混合、又はLiOCH3
Si(OC254とを混合するに際して、Liおよび
SiがLi:Si=1:1のモル比で反応して該Li2
Si25が生成する該合成原料の配合比よりも、過剰量
のシリカ又はSi(OC254を混合すれば良い。
In the above i), the production of the solid electrolyte layer containing Li 2 Si 2 O 5 and silica is similarly performed by mixing lithium carbonate and silica, which are synthesis raw materials, or by mixing LiOCH 3 and Si (OC 2 H 5 ) 4 , Li and Si react in a molar ratio of Li: Si = 1: 1 to form Li 2
It is sufficient to mix an excess amount of silica or Si (OC 2 H 5 ) 4 with respect to the mixing ratio of the synthesis raw material that produces Si 2 O 5 .

【0029】上記i)のうち、Li2Si25とジルコ
ニアとを含む固体電解質層の製造も同様に、炭酸リチウ
ムとシリカとを混合、又はLiOCH3とSi(OC2
54とを混合するに際して、さらに、ジルコニア又はZ
r(O-n-C494を混合すれば良い。
Of the above i), the production of the solid electrolyte layer containing Li 2 Si 2 O 5 and zirconia is also performed by mixing lithium carbonate and silica, or by mixing LiOCH 3 and Si (OC 2 H).
5 ) When mixing with 4 , zirconia or Z
r (On-C 4 H 9 ) 4 may be mixed.

【0030】上記i)のうち、Li2Si25と珪酸ジ
ルコニウムとを含む固体電解質層の製造も同様に、炭酸
リチウムとシリカとを混合、又はLiOCH3とSi
(OC254とを混合するに際して、LiおよびSi
がLi:Si=1:1のモル比で反応してLi2Si2
5が生成する該合成原料の配合比よりも、過剰量のシリ
カ及びジルコニアを混合するか、或いは過剰量のSi
(OC254及びZr(O-n-C494を混合すれば
良い。
Of the above i), the production of the solid electrolyte layer containing Li 2 Si 2 O 5 and zirconium silicate is also performed by mixing lithium carbonate and silica, or by mixing LiOCH 3 and Si
(OC 2 H 5 ) 4 and Li and Si
React at a molar ratio of Li: Si = 1: 1 to produce Li 2 Si 2 O
5 than the blending ratio of the starting materials for synthesis to produce, mix an excess of silica and zirconia or, alternatively an excess amount of Si
(OC 2 H 5 ) 4 and Zr (On-C 4 H 9 ) 4 may be mixed.

【0031】Li2TiSiO5、LiLaSiO4、L
iLa9(SiO462のいずれかと、酸化チタン、シ
リカ、ジルコニア、及び珪酸ジルコニウムから選ばれる
少なくとも1種とを含む固体電解質層の製造も、上記L
2Si25の場合と同様に出発原料の組成を調整すれ
ば良い。
Li 2 TiSiO 5 , LiLaSiO 4 , L
The production of the solid electrolyte layer containing any one of iLa 9 (SiO 4 ) 6 O 2 and at least one selected from titanium oxide, silica, zirconia, and zirconium silicate is also described in the above L.
The composition of the starting material may be adjusted as in the case of i 2 Si 2 O 5 .

【0032】なお、酸化チタン、シリカ、ジルコニア、
珪酸ジルコニウムから選ばれる2種以上を含む固体電解
質層の製造は、上記の方法を組み合わせることで行うこ
とができる。
Incidentally, titanium oxide, silica, zirconia,
The production of the solid electrolyte layer containing two or more kinds selected from zirconium silicate can be performed by combining the above methods.

【0033】次に、上記ii)の製造方法の一般的な例と
しては以下に述べるような方法を挙げることができる。
ii)の方法では、まず、Li系複合酸化物の粉末と酸化
チタン、シリカ、ジルコニア、及び珪酸ジルコニウムか
ら選ばれる少なくとも1種の粉末とを混合する。Li系
複合酸化物の粉末は、前記と同様の方法で得ることがで
きる。酸化チタン粉末、シリカ粉末、ジルコニア粉末、
珪酸ジルコニウム粉末としては市販の粉末が使用でき
る。
Next, as a general example of the production method of the above ii), the following method can be mentioned.
In the method ii), first, the powder of the Li-based composite oxide is mixed with at least one powder selected from titanium oxide, silica, zirconia, and zirconium silicate. The powder of the Li-based composite oxide can be obtained by the same method as described above. Titanium oxide powder, silica powder, zirconia powder,
A commercially available powder can be used as the zirconium silicate powder.

【0034】Li系複合酸化物と酸化チタン、シリカ、
ジルコニア、珪酸ジルコニウムから選ばれる少なくとも
1種との混合粉末の成形には、前記Li系複合酸化物を
含む固体電解質層の製造方法の場合と同様に、一軸プ
レス、等方静水圧プレス等のプレスによる方法、合成粉
末をバインダー及び溶媒と混練してペースト化した後に
ドクターブレード法などによりグリーンシート化する方
法、該ペーストをスクリーン印刷法などによって基板上
に厚膜として形成する方法などが一般に採用される。
Li-based composite oxide, titanium oxide, silica,
For forming a mixed powder with at least one selected from zirconia and zirconium silicate, a press such as a uniaxial press, an isotropic isostatic press or the like is used in the same manner as in the method of producing the solid electrolyte layer containing the Li-based composite oxide. , A method of kneading a synthetic powder with a binder and a solvent to form a paste and then forming a green sheet by a doctor blade method or the like, and a method of forming the paste as a thick film on a substrate by a screen printing method or the like. You.

【0035】成形後、400℃〜1500℃の温度範囲
で焼結することにより、Li2Si25、Li2TiSi
5、LiLaSiO4、及びLiLa9(SiO462
から選ばれる少なくとも1種と、酸化チタン、シリカ、
ジルコニア、及び珪酸ジルコニウムから選ばれる少なく
とも1種とを含む固体電解質層を得ることができる。
After molding, sintering is performed in a temperature range of 400 ° C. to 1500 ° C. to obtain Li 2 Si 2 O 5 , Li 2 TiSi
O 5 , LiLaSiO 4 and LiLa 9 (SiO 4 ) 6 O 2
At least one selected from the group consisting of titanium oxide, silica,
A solid electrolyte layer containing at least one selected from zirconia and zirconium silicate can be obtained.

【0036】本発明において、固体電解質層の厚みは特
に制限されるものではないが、一般には0.02mm〜
2.0mmの範囲から採用される。
In the present invention, the thickness of the solid electrolyte layer is not particularly limited, but is generally 0.02 mm to
It is adopted from a range of 2.0 mm.

【0037】本発明の固体電解質型窒素酸化物ガスセン
サ素子は、上記固体電解質層の表面に、一対の電極層が
形成されている。一対の電極層は、窒素酸化物ガスセン
サ素子において、検知極層及び対極層として設けられて
いるものであれば、窒素酸化物ガスの検知方式の違いに
何ら制限されるものではない。窒素酸化物ガスの検知方
式としては、起電力検知方式及び電流検知方式が一般的
であり、本発明では、特に起電力検知方式であるのが好
ましい。
In the solid oxide nitrogen oxide gas sensor element of the present invention, a pair of electrode layers is formed on the surface of the solid electrolyte layer. The pair of electrode layers is not limited to the difference in the detection method of the nitrogen oxide gas as long as it is provided as the detection electrode layer and the counter electrode layer in the nitrogen oxide gas sensor element. As a method for detecting a nitrogen oxide gas, an electromotive force detection method and a current detection method are generally used. In the present invention, the electromotive force detection method is particularly preferable.

【0038】起電力検知方式の固体電解質型窒素酸化物
ガスセンサ素子は、固体電解質層の表面に、電子伝導物
質、および補助電極物質として窒素酸化物ガスとの平衡
反応を引き起こすことができる物質を含む検知極層と、
電子伝導物質を含む対極層とが形成されてなり、他に素
子を加熱するためのヒータが設けられた構造をしてい
る。なお、こうした起電力検知方式のガスセンサ素子に
おいて、検知極層は、通常、作用電極層と呼ばれ、対極
層は、通常、参照電極層と呼ばれている。
The solid electrolyte type nitrogen oxide gas sensor element of the electromotive force detection type includes, on the surface of the solid electrolyte layer, an electron conductive substance and a substance capable of causing an equilibrium reaction with nitrogen oxide gas as an auxiliary electrode substance. A sensing pole layer,
A counter electrode layer containing an electron conductive material is formed, and a heater for heating the element is additionally provided. In such a gas sensor element of the electromotive force detection method, the detection electrode layer is usually called a working electrode layer, and the counter electrode layer is usually called a reference electrode layer.

【0039】上記起電力検知方式の固体電解質型窒素酸
化物ガスセンサ素子は、100℃〜600℃の加熱下
に、窒素酸化物ガスを含む雰囲気中に放置されると、固
体電解質層を介して検知極層と対極層との間に窒素酸化
物ガス濃度に応じたある一定の起電力が発生する。放置
した雰囲気中の窒素酸化物ガス濃度が変化すると、検知
極層に含まれる上記補助電極物質と窒素酸化物ガスとの
間で解離平衡反応が平衡に達するまで進行し、検知極層
付近で固体電解質層の可動イオン濃度に変化が生じる。
When the above-described solid electrolyte type nitrogen oxide gas sensor element of the electromotive force detection method is left in an atmosphere containing a nitrogen oxide gas under heating at 100 ° C. to 600 ° C., the detection is performed through the solid electrolyte layer. A certain electromotive force is generated between the pole layer and the counter electrode layer according to the nitrogen oxide gas concentration. When the concentration of the nitrogen oxide gas in the standing atmosphere changes, the dissociation equilibrium reaction between the auxiliary electrode substance contained in the sensing electrode layer and the nitrogen oxide gas proceeds until the equilibrium is reached, and solids near the sensing electrode layer A change occurs in the mobile ion concentration of the electrolyte layer.

【0040】この濃度変化は起電力の変化として現れる
ため、上記起電力検知方式の固体電解質型窒素酸化物ガ
スセンサ素子では、その時の起電力を電圧計で測定し、
予め作成しておいた起電力と窒素酸化物ガス濃度との相
関を示す検量線に照合させることで窒素酸化物ガス濃度
を検知することができる。
Since this change in concentration appears as a change in electromotive force, in the above-described solid electrolyte type nitrogen oxide gas sensor element of the electromotive force detection method, the electromotive force at that time is measured by a voltmeter.
The nitrogen oxide gas concentration can be detected by collating with a calibration curve that shows the correlation between the electromotive force and the nitrogen oxide gas concentration created in advance.

【0041】起電力検知方式の固体電解質型窒素酸化物
ガスセンサ素子において、検知極層用の補助電極物質
は、窒素酸化物ガスが含まれる雰囲気中で、窒素酸化物
ガスとの平衡反応を引き起こすことができる物質であれ
ば、公知の材料が制限なく使用される。例えば、硝酸ナ
トリウム、硝酸リチウムなどのアルカリ金属硝酸塩およ
びこれらの混合物、もしくは硝酸バリウム、硝酸マグネ
シウムなどのアルカリ土類金属硝酸塩およびこれらの混
合物などが採用されるが、300℃以下の低温で分解し
ないことからアルカリ土類金属硝酸塩、特に硝酸バリウ
ムや硝酸ストロンチウムを用いることが好ましい。
In the solid electrolyte type nitrogen oxide gas sensor element of the electromotive force detection method, the auxiliary electrode material for the detection electrode layer causes an equilibrium reaction with the nitrogen oxide gas in an atmosphere containing the nitrogen oxide gas. A known material can be used without limitation as long as it is a substance that can form the compound. For example, an alkali metal nitrate such as sodium nitrate and lithium nitrate and a mixture thereof, or an alkaline earth metal nitrate such as barium nitrate and magnesium nitrate and a mixture thereof are employed. Therefore, it is preferable to use alkaline earth metal nitrates, particularly barium nitrate and strontium nitrate.

【0042】起電力検知方式における検知極層用の補助
電極物質の含有量は、特に制限されないが、検知電極の
全重量100重量%中に占める割合で5〜80重量%で
あることが好ましく、特に10〜60重量%であること
が連続使用時におけるセンサ素子の起電力のふらつきを
少なくすることから好ましい。
The content of the auxiliary electrode material for the detection electrode layer in the electromotive force detection method is not particularly limited, but is preferably 5 to 80% by weight based on 100% by weight of the total weight of the detection electrode. In particular, it is preferably from 10 to 60% by weight in order to reduce the fluctuation of the electromotive force of the sensor element during continuous use.

【0043】起電力検知方式の検知極層に含まれる電子
伝導物質は、後述する対極層に含まれる電子伝導物質と
同様に、センサ素子の起電力を出力するために必要な物
質であり、公知の材料が制限なく使用される。例えば、
白金、金、パラジウム、銀などの貴金属元素およびこれ
らの合金、もしくは上記の貴金属元素の2種類以上を混
合したものが採用されるが、特に、白金、金およびこれ
らの混合物や合金が耐腐食性に優れていることから好適
である。
The electron conductive material contained in the detection electrode layer of the electromotive force detection method is a substance necessary for outputting an electromotive force of the sensor element, like the electron conductive material contained in the counter electrode layer described later, and is known. Material is used without restriction. For example,
Noble metal elements such as platinum, gold, palladium and silver and alloys thereof, or a mixture of two or more of the above noble metal elements are employed. In particular, platinum, gold and mixtures and alloys thereof are resistant to corrosion. It is preferable because it is excellent.

【0044】起電力検知方式の検知極層に含まれる電子
伝導物質の含有量は特に制限されないが、検知極の全重
量100重量%中に占める割合で20〜95重量%であ
ることが好ましく、特に40〜90重量%であることが
好ましい。
The content of the electron conductive material contained in the detection electrode layer of the electromotive force detection method is not particularly limited, but is preferably 20 to 95% by weight based on the total weight of the detection electrode of 100% by weight. Particularly, it is preferably 40 to 90% by weight.

【0045】起電力検知方式の対極層に含まれる電子伝
導物質は、前述の検知極層に含まれる電子伝導物質と同
様に、センサ素子の起電力を出力するために必要な物質
であり、公知の材料が制限なく使用される。例えば、白
金、金、パラジウム、銀などの貴金属元素およびこれら
の合金、もしくは上記の貴金属元素の2種類以上を混合
したものが採用されるが、特に、白金、金およびこれら
の混合物や合金が耐腐食性に優れていることから好適で
ある。
The electron conductive substance contained in the counter electrode layer of the electromotive force detection method is a substance necessary for outputting an electromotive force of the sensor element, similarly to the above-mentioned electron conductive substance contained in the detection electrode layer, and is known. Material is used without restriction. For example, noble metal elements such as platinum, gold, palladium, and silver and alloys thereof, or a mixture of two or more of the above noble metal elements are employed. In particular, platinum, gold, and mixtures and alloys thereof are resistant. It is suitable because of its excellent corrosiveness.

【0046】固体電解質型窒素酸化物ガスセンサ素子に
おいて電流検知方式のセンサ素子は、固体電解質層の表
面に、電子伝導物質を含む検知極層と、電子伝導物質お
よび補助電極物質として可動イオンを固体電解質中に放
出することができる物質を含む対極層とが形成されてな
り、他に素子を加熱するためのヒータが設けられた構造
をしている。
In the solid electrolyte type nitrogen oxide gas sensor element, the current sensing type sensor element has a sensing electrode layer containing an electron conductive material on the surface of the solid electrolyte layer, and movable ions as the electron conductive material and the auxiliary electrode material. A counter electrode layer containing a substance that can be released therein is formed, and a heater for heating the element is additionally provided.

【0047】上記電流検知方式の固体電解質型窒素酸化
物ガスセンサ素子は、100℃〜600℃の加熱下に、
窒素酸化物ガスを含む雰囲気中に放置され、検知極層と
対極層との間に特定の電圧が印加されたり短絡される
と、対極層を形成する補助電極物質に含まれる可動イオ
ン、もしくは固体電解質中の可動イオンが検知極層に向
かって移動して該検知極層において硝酸塩を形成し、上
記電極層間に窒素酸化物ガス濃度に応じたある一定の電
流値が発生する。そして、放置した雰囲気中の窒素酸化
物ガス濃度が変化すると、固体電解質層内の可動イオン
の移動量に変化が生じる。
The above-described current detection type solid electrolyte type nitrogen oxide gas sensor element is heated at 100 ° C. to 600 ° C.
When left in an atmosphere containing nitrogen oxide gas and a specific voltage is applied or short-circuited between the sensing electrode layer and the counter electrode layer, mobile ions or solids contained in the auxiliary electrode material forming the counter electrode layer The mobile ions in the electrolyte move toward the sensing electrode layer to form nitrate in the sensing electrode layer, and a certain current value corresponding to the nitrogen oxide gas concentration is generated between the electrode layers. Then, when the concentration of the nitrogen oxide gas in the left atmosphere changes, the amount of movement of mobile ions in the solid electrolyte layer changes.

【0048】このイオンの移動量の変化は電流値の変化
として現れるため、上記電流検知方式の固体電解質型窒
素酸化物ガスセンサ素子では、その時の電流値を電流計
で測定し、予め作成しておいた電流値と窒素酸化物ガス
濃度との相関を示す検量線に照合させることで窒素酸化
物ガス濃度を検知することができる。
Since the change in the amount of ion movement appears as a change in the current value, the current detection type solid oxide nitrogen oxide gas sensor element measures the current value at that time with an ammeter and prepares it in advance. The nitrogen oxide gas concentration can be detected by collating with a calibration curve indicating the correlation between the current value and the nitrogen oxide gas concentration.

【0049】電流検知方式の固体電解質型窒素酸化物ガ
スセンサ素子において、対極層用の補助電極物質は、窒
素酸化物ガスが含まれる雰囲気中で、固体電解質中に可
動イオンを放出することができる物質であれば、公知の
材料が制限なく使用できる。例えば、硝酸ナトリウム、
硝酸リチウムなどのアルカリ金属硝酸塩等やこれらの混
合物などが採用されるが、大きな感度が得られることか
ら、特に硝酸ナトリウムを用いることが好ましい。
In the current sensing type solid electrolyte type nitrogen oxide gas sensor element, the auxiliary electrode material for the counter electrode layer is a material capable of releasing mobile ions into the solid electrolyte in an atmosphere containing nitrogen oxide gas. If so, known materials can be used without limitation. For example, sodium nitrate,
Alkali metal nitrates such as lithium nitrate and the like, and mixtures thereof are employed, but it is particularly preferable to use sodium nitrate since a large sensitivity can be obtained.

【0050】電流検知方式における対極層用の補助電極
物質の含有量は特に制限されないが、各電極の全重量1
00重量%中に占める割合で5〜80重量%であること
が好ましく、特に10〜60重量%であることが連続使
用時におけるセンサ素子の起電力のふらつきを少なくで
きることから好ましい。
Although the content of the auxiliary electrode material for the counter electrode layer in the current detection method is not particularly limited, the total weight of each electrode is 1%.
It is preferably 5 to 80% by weight based on the total weight of 00% by weight, and particularly preferably 10 to 60% by weight because fluctuation of the electromotive force of the sensor element during continuous use can be reduced.

【0051】なお、電流検知方式の検知極層及び対極層
に含まれる電子伝導物質は、起電力検知方式の各電極に
含まれるものと同様のものが使用できる。
As the electron conductive material contained in the detection electrode layer and the counter electrode layer of the current detection method, the same materials as those contained in each electrode of the electromotive force detection method can be used.

【0052】本発明の固体電解質型窒素酸化物ガスセン
サ素子において、各電極層の構造は、公知の如何なる構
造であっても良い。起電力検知方式における検知極層及
び電流検知方式における対極層の構造は、例えば、電子
伝導物質、および各電極層用の補助電極物質が固体電解
質層表面に層状に積み重なる構造、電子伝導物質中に各
電極層用の補助電極物質が分散して存在する構造、固体
電解質層表面に形成された各電極層用の補助電極物質の
一部又は全部を電子伝導物質が被覆する構造などが採用
され、特に、電子伝導物質中に各電極層用の補助電極物
質が分散して存在する構造が、電極層を簡便に形成でき
ることから好ましい。
In the solid oxide nitrogen oxide gas sensor element of the present invention, the structure of each electrode layer may be any known structure. The structure of the detection electrode layer in the electromotive force detection method and the structure of the counter electrode layer in the current detection method include, for example, a structure in which an electron conductive material and an auxiliary electrode material for each electrode layer are layered on the surface of the solid electrolyte layer. A structure in which an auxiliary electrode material for each electrode layer is dispersed and present, a structure in which a part or all of the auxiliary electrode material for each electrode layer formed on the surface of the solid electrolyte layer is covered with an electron conductive material, In particular, a structure in which the auxiliary electrode material for each electrode layer is dispersed in the electron conductive material is preferable because the electrode layer can be easily formed.

【0053】各電極層の形成方法としては、公知の方法
が特に制限なく使用される。例えば、上記の電子伝導物
質、および目的とする電極層用の各補助電極物質を単独
で、もしくは混合した後に、溶媒およびバインダーと混
練してペースト化し、該ペーストをスクリーン印刷法な
どによって固体電解質層表面に焼き付ける方法、電子伝
導物質、および目的とする電極層用の補助電極物質をス
パッタリングや蒸着などの薄膜形成技術によって形成す
る方法が好適に採用される。
As a method for forming each electrode layer, a known method is used without any particular limitation. For example, the above-described electron conductive material, and each auxiliary electrode material for the intended electrode layer alone or after mixing, are kneaded with a solvent and a binder to form a paste, and the paste is solid electrolyte layer by a screen printing method or the like. A method of baking on a surface, a method of forming an electron conductive material, and a method of forming an auxiliary electrode material for a target electrode layer by a thin film forming technique such as sputtering or vapor deposition are suitably employed.

【0054】各電極層の厚みは特に制限されないが、一
般にはそれぞれ0.001〜0.03mmの範囲から採
用される。
The thickness of each electrode layer is not particularly limited, but is generally adopted in the range of 0.001 to 0.03 mm.

【0055】起電力検知方式及び電流検知方式のいずれ
のセンサ素子においても、固体電解質層に対する検知極
層および対極層の配置は、検知極層および対極層が、固
体電解質層表面に接触していれば、特に制限されない。
通常は、固体電解質層の片方の表面に検知極層、他方の
面に対極層が形成されている構造であるのが一般的であ
るが、例えば、固体電解質層の片方の表面に検知極層と
対極層の両層が一定の距離をおいて形成されているよう
な構造であっても良い。
In both the electromotive force detection method and the current detection method, the arrangement of the detection electrode layer and the counter electrode layer with respect to the solid electrolyte layer is such that the detection electrode layer and the counter electrode layer are in contact with the surface of the solid electrolyte layer. There is no particular limitation.
Usually, a structure in which a detection electrode layer is formed on one surface of the solid electrolyte layer and a counter electrode layer is formed on the other surface is, for example, a detection electrode layer is formed on one surface of the solid electrolyte layer. And a structure in which both layers of the counter electrode layer and the counter electrode layer are formed at a certain distance.

【0056】[0056]

【発明の効果】本発明の固体電解質型窒素酸化物ガスセ
ンサ素子は、固体電解質層が、Li2Si25、Li2
iSiO5、LiLaSiO4、及びLiLa9(Si
46 2から選ばれる少なくとも1種を含んでいるた
め、高湿度や結露などのように水分濃度の高い雰囲気中
に非加熱で放置されても起電力や電流値が放置前とほと
んど変わらない。また、作動開始後の起電力や電流値の
変化を小さく抑えることができ、作動開始から1000
時間経過後において作動開始時に比べて2.0%以内に
することが可能である。
The solid electrolyte type nitrogen oxide gas cell of the present invention
The sensor element has a solid electrolyte layer of LiTwoSiTwoOFive, LiTwoT
iSiOFive, LiLaSiOFour, And LiLa9(Si
OFour)6O TwoContaining at least one member selected from the group consisting of
In an atmosphere with high moisture concentration such as high humidity or condensation
Even if left unheated, the electromotive force and current value are almost the same as before
Almost unchanged. In addition, the electromotive force and current
The change can be kept small, and 1000
Within 2.0% after starting operation
It is possible to

【0057】特に、固体電解質層がさらに、酸化チタ
ン、シリカ、ジルコニア、及び珪酸ジルコニウムから選
ばれる少なくとも1種とを含む場合には、上記効果は一
層顕著に発揮される。例えば、作動開始から1000時
間経過後の起電力もしくは電流値の変化は、0.5%以
内にすることも可能である。このような変化は、従来の
センサ素子の一般的な上記変化率である20%よりも著
しく小さいものである。
In particular, when the solid electrolyte layer further contains at least one selected from titanium oxide, silica, zirconia, and zirconium silicate, the above effect is more remarkably exhibited. For example, the change in the electromotive force or the current value after a lapse of 1000 hours from the start of the operation can be within 0.5%. Such a change is significantly smaller than the above-described general change rate of 20% of the conventional sensor element.

【0058】従って本発明は、どのような環境下におい
ても、窒素酸化物ガスを長期間にわたって信頼性良く測
定することが可能になった点において技術的な意義が大
きい。こうした性状を有する本発明の固体電解質型窒素
酸化物ガスセンサ素子は、例えば、大気中の窒素酸化物
測定や自動車などの排ガス分析などにおいて、濃度計測
設備に組み込まれて、有効に使用される。
Therefore, the present invention is of great technical significance in that nitrogen oxide gas can be measured reliably over a long period of time under any environment. The solid electrolyte type nitrogen oxide gas sensor element of the present invention having such properties is incorporated into a concentration measurement facility and used effectively, for example, in the measurement of nitrogen oxides in the atmosphere and the analysis of exhaust gas from automobiles and the like.

【0059】[0059]

【実施例】本発明を具体的に説明するために以下の実施
例を挙げて説明するが、本発明は、これら実施例に制限
されるものではない。 (1)耐水性試験 実施例および比較例の窒素酸化物ガスセンサ素子を作製
直後、二酸化窒素ガス濃度を自由に制御できるチャンバ
ー内に入れ、電源よりヒータに直流電圧を印加して、セ
ンサ素子を150℃に加熱した。
EXAMPLES The present invention will be described specifically with reference to the following examples, but the present invention is not limited to these examples. (1) Water resistance test Immediately after manufacturing the nitrogen oxide gas sensor elements of Examples and Comparative Examples, they were placed in a chamber in which the concentration of nitrogen dioxide gas could be freely controlled, and a DC voltage was applied from a power source to a heater to set the sensor elements to 150. Heated to ° C.

【0060】加熱24時間後にセンサ素子の温度を15
0℃に保持したまま、チャンバー内の窒素酸化物ガス濃
度を10ppmおよび100ppmとし、それぞれの濃
度での起電力を測定して、これを初期の起電力とした。
また、10ppmの時の起電力値と100ppmの時の
起電力値との差を求め、これを初期の感度とした。
After 24 hours of heating, the temperature of the sensor
With the temperature maintained at 0 ° C., the nitrogen oxide gas concentration in the chamber was set to 10 ppm and 100 ppm, and the electromotive force at each concentration was measured and used as the initial electromotive force.
Further, the difference between the electromotive force value at 10 ppm and the electromotive force value at 100 ppm was determined and used as the initial sensitivity.

【0061】初期の起電力および感度を測定後、センサ
素子をチャンバーから取り出し、これを温度60℃、湿
度90%に保持された恒温槽内に入れて、非加熱の状態
で7日間連続で放置した。
After measuring the initial electromotive force and sensitivity, the sensor element was taken out of the chamber, placed in a constant temperature bath maintained at a temperature of 60 ° C. and a humidity of 90%, and left standing for 7 days without heating. did.

【0062】放置後、恒温槽から取り出し、初期の起電
力および感度を測定した方法と同様の方法で起電力およ
び感度を測定し、これを耐水試験後の起電力および感度
とした。
After standing, it was taken out of the thermostat, and the electromotive force and the sensitivity were measured in the same manner as the method for measuring the initial electromotive force and the sensitivity, and these were defined as the electromotive force and the sensitivity after the water resistance test.

【0063】耐水試験後と初期の起電力の差、および感
度の差を求め、非加熱の状態で結露や高湿度の雰囲気中
に長時間放置された後の起電力および感度の変化を見
た。 (2)経時安定性試験 実施例および比較例の窒素酸化物ガスセンサ素子を作製
直後、電源よりヒータに直流電圧を印加して、センサ素
子を150℃に加熱した。
The difference between the electromotive force after the water resistance test and the initial period and the difference between the sensitivities were obtained, and the changes in the electromotive force and the sensitivity after being left in an atmosphere of dew condensation or high humidity in a non-heated state for a long time were observed. . (2) Temporal stability test Immediately after producing the nitrogen oxide gas sensor elements of Examples and Comparative Examples, a DC voltage was applied from a power source to a heater to heat the sensor elements to 150 ° C.

【0064】加熱24時間後、二酸化窒素ガス濃度が1
00ppmに保たれたチャンバー内に加熱したままの素
子を入れて起電力を測定し、これを初期の起電力とし
た。
After heating for 24 hours, the nitrogen dioxide gas concentration becomes 1
The heated element was placed in a chamber maintained at 00 ppm, and the electromotive force was measured. This was used as the initial electromotive force.

【0065】初期の起電力を測定後、センサ素子をチャ
ンバーから取り出して、150℃に加熱したまま室温で
1000時間放置した。放置後、二酸化窒素ガス濃度が
100ppmに保たれたチャンバー内に加熱したままの
素子を再び入れて起電力を測定し、これを1000時間
後の起電力とした。
After measuring the initial electromotive force, the sensor element was taken out of the chamber and left at room temperature for 1000 hours while being heated to 150 ° C. After the standing, the heated element was placed again in the chamber in which the concentration of nitrogen dioxide gas was kept at 100 ppm, and the electromotive force was measured. This was used as the electromotive force after 1000 hours.

【0066】初期の起電力に対する1000時間後の起
電力変化を次式によって求め、経時安定性を評価した。
The change in electromotive force 1000 hours after the initial electromotive force was determined by the following equation, and the stability over time was evaluated.

【0067】(((1000時間後の起電力)−(初期
の起電力))/(初期の起電力))×100 (%) 実施例1 起電力検知方式の固体電解質型窒素酸化物ガスセンサ素
子として、図1に示されるような断面構造を有する素子
を作製した。この窒素酸化物ガスセンサ素子は、固体電
解質層2の片面に検知極層1が、反対面に対極層3が形
成され、対極層3の上にはセラミックス板4が接着剤5
によって接合されている。さらに、対極層3が接合して
いる面とは反対側のセラミックス板4の表面にはヒータ
6が形成されおり、電源7から電気の供給を受けてい
る。また、検知極層1および対極層3からはリード線が
引き出されており、電圧計8に接続して起電力が測定さ
れている。
(((Electromotive force after 1000 hours) − (initial electromotive force)) / (initial electromotive force)) × 100 (%) Example 1 Solid Electrolyte Nitrogen Oxide Gas Sensor Element of Electromotive Force Detection Method An element having a cross-sectional structure as shown in FIG. 1 was produced. In this nitrogen oxide gas sensor element, a detection electrode layer 1 is formed on one surface of a solid electrolyte layer 2 and a counter electrode layer 3 is formed on the other surface, and a ceramic plate 4 is provided with an adhesive 5 on the counter electrode layer 3.
Are joined by Further, a heater 6 is formed on the surface of the ceramic plate 4 opposite to the surface to which the counter electrode layer 3 is bonded, and receives power from a power supply 7. Further, lead wires are drawn out from the detection electrode layer 1 and the counter electrode layer 3 and connected to a voltmeter 8 to measure the electromotive force.

【0068】固体電解質層を形成するための固体電解質
粉末として、LiOCH3およびSi(OC254を表
1に示すようにモル比が1:1の割合で溶媒中で混合
し、加水分解した後に100℃で乾燥し、さらに800
℃で3時間焼成することによってLi2Si25を得
た。Li2Si25が合成されたことはX線回折によっ
て確認した。
As a solid electrolyte powder for forming a solid electrolyte layer, LiOCH 3 and Si (OC 2 H 5 ) 4 were mixed in a solvent at a molar ratio of 1: 1 as shown in Table 1 to obtain a solid electrolyte powder. After decomposing, it is dried at 100 ° C. and further 800
By sintering at 3 ° C. for 3 hours, Li 2 Si 2 O 5 was obtained. The synthesis of Li 2 Si 2 O 5 was confirmed by X-ray diffraction.

【0069】固体電解質層2は、上記のLi2Si25
粉末を一軸成形後、1000℃の大気雰囲気で6時間焼
結して、厚さ0.4mmの円盤状のペレットとした。
The solid electrolyte layer 2 is made of the above-mentioned Li 2 Si 2 O 5
After the powder was uniaxially formed, the powder was sintered in an air atmosphere at 1000 ° C. for 6 hours to obtain a disk-shaped pellet having a thickness of 0.4 mm.

【0070】焼結後、上記のようにして金属アルコキシ
ドから得られたLi2Si25を標準試料として、リー
トベルト法によりペレットを同定した。リートベルト法
による固体電解質層の組成比を表2に示す。
After sintering, pellets were identified by the Rietveld method using Li 2 Si 2 O 5 obtained from the metal alkoxide as described above as a standard sample. Table 2 shows the composition ratio of the solid electrolyte layer by the Rietveld method.

【0071】検知極層は、5重量%エチルセルロースを
溶解したテルピネオールに、電子伝導物質としての金粉
末、および検知極の全重量100重量%に占める割合で
25重量%の硝酸リチウムを混練してペーストとし、こ
れを上記固体電解質層の片面にスクリーン印刷、乾燥、
200℃の大気中で30分焼成して形成した。このよう
にして、膜厚が0.015mmの検知電極層を得た。
The detection electrode layer is prepared by kneading 5% by weight of ethyl cellulose in terpineol with gold powder as an electron conductive material and 25% by weight of lithium nitrate in a ratio of 100% by weight of the total weight of the detection electrode to paste. And, this is screen printed on one side of the solid electrolyte layer, dried,
It was formed by firing in the air at 200 ° C. for 30 minutes. Thus, a detection electrode layer having a thickness of 0.015 mm was obtained.

【0072】対極層は、5重量%エチルセルロースを溶
解したテルピネオールに、電子伝導物質としての金粉末
を混練してペーストとし、これを上記固体電解質層の検
知電極層を形成した面とは反対の表面にスクリーン印
刷、乾燥、650℃の大気中で30分焼成して形成し
た。このようにして、膜厚が0.015mmの対極層を
得た。
The counter electrode layer is formed by kneading gold powder as an electron conductive material into terpineol in which 5% by weight of ethylcellulose is dissolved to form a paste, and this is the surface of the solid electrolyte layer opposite to the surface on which the sensing electrode layer is formed. Was formed by screen printing, drying, and baking for 30 minutes in the air at 650 ° C. Thus, a counter electrode layer having a thickness of 0.015 mm was obtained.

【0073】上記の対極層の上には、市販の白金ペース
トでスクリーン印刷法によって形成した白金ヒータを搭
載するアルミナ基板を、ヒータが形成されていない面が
接合面になるようにガラスよりなる接着剤で接合した。
An alumina substrate, on which a platinum heater formed by a screen printing method using a commercially available platinum paste, is mounted on the counter electrode layer, an adhesive made of glass such that the surface on which the heater is not formed is a bonding surface. Bonded with the agent.

【0074】以上の方法によって作製した起電力検知方
式の固体電解質型窒素酸化物ガスセンサ素子に対し、耐
水性試験および経時安定性の試験を行った。その結果を
表3に示した。耐水試験による起電力、感度低下はほと
んどなく、経時変化も2%以内であった。
The solid electrolyte type nitrogen oxide gas sensor element of the electromotive force detection method manufactured by the above method was subjected to a water resistance test and a stability test with time. Table 3 shows the results. There was almost no decrease in electromotive force and sensitivity in the water resistance test, and the change with time was within 2%.

【0075】実施例2 固体電解質層を形成するための固体電解質粉末として、
LiOCH3、Ti(O-n-C494、Si(OC
254を表1に示すようにモル比が2:1:1の割合
で溶媒中で混合した他は、実施例1と同様の方法で固体
電解質型窒素酸化物ガスセンサ素子を作製した。
Example 2 As a solid electrolyte powder for forming a solid electrolyte layer,
LiOCH 3 , Ti (On-C 4 H 9 ) 4 , Si (OC
As shown in Table 1, a solid electrolyte type nitrogen oxide gas sensor element was produced in the same manner as in Example 1, except that 2 H 5 ) 4 was mixed in a solvent at a molar ratio of 2: 1: 1 as shown in Table 1. .

【0076】Li2TiSiO5が合成されたことはX線
回折によって確認した。
The synthesis of Li 2 TiSiO 5 was confirmed by X-ray diffraction.

【0077】固体電解質層2は、上記のLi2TiSi
5粉末を一軸成形後、1100℃の大気雰囲気で6時
間焼結して、厚さ0.4mmの円盤状のペレットとし
た。
The solid electrolyte layer 2 is made of the above-mentioned Li 2 TiSi
After uniaxially molding the O 5 powder, it was sintered in an air atmosphere at 1100 ° C. for 6 hours to obtain a disk-shaped pellet having a thickness of 0.4 mm.

【0078】焼結後、上記のようにして金属アルコキシ
ドから得られたLi2TiSiO5を標準試料として、リ
ートベルト法によりペレットを同定した。リートベルト
法による固体電解質層の組成比を表2に示す。
After sintering, the pellets were identified by the Rietveld method using Li 2 TiSiO 5 obtained from the metal alkoxide as described above as a standard sample. Table 2 shows the composition ratio of the solid electrolyte layer by the Rietveld method.

【0079】以上の方法によって作製した固体電解質型
窒素酸化物ガスセンサ素子に対し、耐水性試験および経
時安定性の試験を行った。その結果を表3に示した。耐
水試験による起電力、感度低下はほとんどなく、経時変
化も1%以内であった。
The solid electrolyte type nitrogen oxide gas sensor element manufactured by the above method was subjected to a water resistance test and a stability test with time. Table 3 shows the results. There was almost no decrease in electromotive force and sensitivity in the water resistance test, and the change with time was within 1%.

【0080】実施例3 固体電解質層を形成するための固体電解質粉末として、
LiOCH3、La(OC253、Si(OC254
を表1に示すようにモル比が1:1:1の割合で溶媒中
で混合した他は、実施例1と同様の方法で固体電解質型
窒素酸化物ガスセンサ素子を作製した。
Example 3 As a solid electrolyte powder for forming a solid electrolyte layer,
LiOCH 3 , La (OC 2 H 5 ) 3 , Si (OC 2 H 5 ) 4
Was mixed in a solvent at a molar ratio of 1: 1: 1 as shown in Table 1 to produce a solid oxide nitrogen oxide gas sensor element in the same manner as in Example 1.

【0081】LiLaSiO4が合成されたことはX線
回折によって確認した。
The synthesis of LiLaSiO 4 was confirmed by X-ray diffraction.

【0082】固体電解質層2は、上記のLiLaSiO
4粉末を一軸成形後、950℃の大気雰囲気で6時間焼
結して、厚さ0.4mmの円盤状のペレットとした。
The solid electrolyte layer 2 is made of the above-mentioned LiLaSiO
After the four powders were uniaxially formed, they were sintered in an air atmosphere at 950 ° C. for 6 hours to obtain disk-shaped pellets having a thickness of 0.4 mm.

【0083】焼結後、上記のようにして金属アルコキシ
ドから得られたLiLaSiO4を標準試料として、リ
ートベルト法によりペレットを同定した。リートベルト
法による固体電解質層の組成比を表2に示す。
After sintering, pellets were identified by the Rietveld method using LiLaSiO 4 obtained from the metal alkoxide as described above as a standard sample. Table 2 shows the composition ratio of the solid electrolyte layer by the Rietveld method.

【0084】以上の方法によって作製した固体電解質型
窒素酸化物ガスセンサ素子に対し、耐水性試験および経
時安定性の試験を行った。その結果を表3に示した。耐
水試験による起電力、感度低下はほとんどなく、経時変
化も2%以内であった。
The solid electrolyte type nitrogen oxide gas sensor element manufactured by the above method was subjected to a water resistance test and a stability test with time. Table 3 shows the results. There was almost no decrease in electromotive force and sensitivity in the water resistance test, and the change with time was within 2%.

【0085】実施例4 固体電解質層を形成するための固体電解質粉末として、
LiOCH3、La(OC253、Si(OC254
を表1に示すようにモル比が1:9:6の割合で溶媒中
で混合した他は、実施例1と同様の方法で固体電解質型
窒素酸化物ガスセンサ素子を作製した。
Example 4 As a solid electrolyte powder for forming a solid electrolyte layer,
LiOCH 3 , La (OC 2 H 5 ) 3 , Si (OC 2 H 5 ) 4
Was mixed in a solvent at a molar ratio of 1: 9: 6 as shown in Table 1 to produce a solid oxide nitrogen oxide gas sensor element in the same manner as in Example 1.

【0086】LiLa9(SiO462が合成されたこ
とはX線回折によって確認した。
The synthesis of LiLa 9 (SiO 4 ) 6 O 2 was confirmed by X-ray diffraction.

【0087】固体電解質層2は、上記のLiLa9(S
iO462粉末を一軸成形後、950℃の大気雰囲気
で6時間焼結して、厚さ0.4mmの円盤状のペレット
とした。
The solid electrolyte layer 2 is made of the above-mentioned LiLa 9 (S
After uniaxially molding the iO 4 ) 6 O 2 powder, the powder was sintered in an air atmosphere at 950 ° C. for 6 hours to obtain a disk-shaped pellet having a thickness of 0.4 mm.

【0088】焼結後、上記のようにして金属アルコキシ
ドから得られたLiLa9(SiO462を標準試料と
して、リートベルト法によりペレットを同定した。リー
トベルト法による固体電解質層の組成比を表2に示す。
After sintering, pellets were identified by the Rietveld method using LiLa 9 (SiO 4 ) 6 O 2 obtained from the metal alkoxide as described above as a standard sample. Table 2 shows the composition ratio of the solid electrolyte layer by the Rietveld method.

【0089】以上の方法によって作製した固体電解質型
窒素酸化物ガスセンサ素子に対し、耐水性試験および経
時安定性の試験を行った。その結果を表3に示した。耐
水試験による起電力、感度低下はほとんどなく、経時変
化も2%以内であった。
The solid electrolyte type nitrogen oxide gas sensor element manufactured by the above method was subjected to a water resistance test and a stability test with time. Table 3 shows the results. There was almost no decrease in electromotive force and sensitivity in the water resistance test, and the change with time was within 2%.

【0090】実施例5〜7 固体電解質層を形成するための出発原料を、表1に示す
種類及び配合比とした他は、実施例1と同様の方法に固
体電解質型窒素酸化物ガスセンサ素子を作製した。
Examples 5 to 7 A solid electrolyte type nitrogen oxide gas sensor element was prepared in the same manner as in Example 1 except that the starting materials for forming the solid electrolyte layer were of the kind and compounding ratio shown in Table 1. Produced.

【0091】Li2Si25と酸化チタン、シリカ、ジ
ルコニア、及び珪酸ジルコニウムから選ばれる少なくと
も1種とを含む固体電解質粉末が合成されたことはX線
回折によって確認した。
It was confirmed by X-ray diffraction that a solid electrolyte powder containing Li 2 Si 2 O 5 and at least one selected from titanium oxide, silica, zirconia and zirconium silicate was synthesized.

【0092】固体電解質層2は、上記固体電解質層の原
料粉末を一軸成形後、1000℃の大気雰囲気で6時間
焼結して円盤状のペレットとした。
The solid electrolyte layer 2 was formed into a disk-shaped pellet by uniaxially molding the raw material powder for the solid electrolyte layer and then sintering at 1000 ° C. in an air atmosphere for 6 hours.

【0093】焼結後、Li2Si25、TiO2、SiO
2、ZrO2、およびZrSiO4とを標準試料として、
リートベルト法によりペレットを同定した。得られた固
体電解質層のリートベルト法による組成比を表2に示
す。
After sintering, Li 2 Si 2 O 5 , TiO 2 , SiO
2 , ZrO 2 and ZrSiO 4 as standard samples,
The pellet was identified by the Rietveld method. Table 2 shows the composition ratio of the obtained solid electrolyte layer by the Rietveld method.

【0094】以上の方法によって作製した固体電解質型
窒素酸化物ガスセンサ素子に対し、耐水性試験および経
時安定性の試験を行った。その結果を表3に示した。耐
水試験による起電力、感度低下はほとんどなく、経時変
化も0.5%以内であった。
The water resistance test and the aging stability test were performed on the solid electrolyte type nitrogen oxide gas sensor element manufactured by the above method. Table 3 shows the results. There was almost no decrease in electromotive force and sensitivity due to the water resistance test, and the change with time was within 0.5%.

【0095】実施例8〜10 固体電解質層を形成するための出発原料を、表1に示す
種類及び配合比とした他は、実施例1と同様の方法に固
体電解質型窒素酸化物ガスセンサ素子を作製した。
Examples 8 to 10 A solid electrolyte type nitrogen oxide gas sensor element was prepared in the same manner as in Example 1 except that the starting materials for forming the solid electrolyte layer were of the kind and the mixing ratio shown in Table 1. Produced.

【0096】Li2TiSiO5と酸化チタン、シリカ、
ジルコニア、及び珪酸ジルコニウムから選ばれる少なく
とも1種とを含む固体電解質粉末が合成されたことはX
線回折によって確認した。
Li 2 TiSiO 5 and titanium oxide, silica,
The fact that a solid electrolyte powder containing zirconia and at least one selected from zirconium silicate was synthesized was described by X
Confirmed by line diffraction.

【0097】固体電解質層2は、上記固体電解質層の原
料粉末を一軸成形後、1100℃の大気雰囲気で6時間
焼結して円盤状のペレットとした。
The solid electrolyte layer 2 was formed into a disk-shaped pellet by uniaxially molding the raw material powder for the solid electrolyte layer and then sintering at 1100 ° C. in an air atmosphere for 6 hours.

【0098】焼結後、Li2TiSiO5、TiO2、S
iO2、ZrO2、およびZrSiO4とを標準試料とし
て、リートベルト法によりペレットを同定した。得られ
た固体電解質層のリートベルト法による組成比を表2に
示す。
After sintering, Li 2 TiSiO 5 , TiO 2 , S
Using iO 2 , ZrO 2 , and ZrSiO 4 as standard samples, pellets were identified by the Rietveld method. Table 2 shows the composition ratio of the obtained solid electrolyte layer by the Rietveld method.

【0099】以上の方法によって作製した固体電解質型
窒素酸化物ガスセンサ素子に対し、耐水性試験および経
時安定性の試験を行った。その結果を表3に示した。耐
水試験による起電力、感度低下は全くなく、経時変化も
ほとんど起こらなかった。
The solid electrolyte type nitrogen oxide gas sensor element manufactured by the above method was subjected to a water resistance test and a stability test with time. Table 3 shows the results. There was no decrease in electromotive force and sensitivity in the water resistance test, and almost no change over time occurred.

【0100】実施例11〜13 固体電解質層を形成するための出発原料を、表1に示す
種類及び配合比とした他は、実施例1と同様の方法に固
体電解質型窒素酸化物ガスセンサ素子を作製した。
Examples 11 to 13 A solid electrolyte type nitrogen oxide gas sensor element was prepared in the same manner as in Example 1 except that the starting materials for forming the solid electrolyte layer were of the type and the mixing ratio shown in Table 1. Produced.

【0101】LiLaSiO4と酸化チタン、シリカ、
ジルコニア、及び珪酸ジルコニウムから選ばれる少なく
とも1種とを含む固体電解質粉末が合成されたことはX
線回折によって確認した。
LiLaSiO 4 and titanium oxide, silica,
The fact that a solid electrolyte powder containing zirconia and at least one selected from zirconium silicate was synthesized is described by X
Confirmed by line diffraction.

【0102】固体電解質層2は、上記固体電解質層の原
料粉末を一軸成形後、950℃の大気雰囲気で6時間焼
結して円盤状のペレットとした。
The solid electrolyte layer 2 was formed into a disk-shaped pellet by uniaxially molding the raw material powder for the solid electrolyte layer and then sintering it at 950 ° C. in an air atmosphere for 6 hours.

【0103】焼結後、LiLaSiO4、TiO2、Si
2、ZrO2、およびZrSiO4とを標準試料とし
て、リートベルト法によりペレットを同定した。得られ
た固体電解質層のリートベルト法による組成比を表2に
示す。
After sintering, LiLaSiO 4 , TiO 2 , Si
Using O 2 , ZrO 2 , and ZrSiO 4 as standard samples, pellets were identified by the Rietveld method. Table 2 shows the composition ratio of the obtained solid electrolyte layer by the Rietveld method.

【0104】以上の方法によって作製した固体電解質型
窒素酸化物ガスセンサ素子に対し、耐水性試験および経
時安定性の試験を行った。その結果を表3に示した。耐
水試験による起電力、感度低下はほとんどなく、経時変
化も0.5%以内であった。
The solid electrolyte type nitrogen oxide gas sensor element manufactured by the above method was subjected to a water resistance test and a time stability test. Table 3 shows the results. There was almost no decrease in electromotive force and sensitivity due to the water resistance test, and the change with time was within 0.5%.

【0105】実施例14〜15 固体電解質層を形成するための出発原料を、表1に示す
種類及び配合比とした他は、実施例1と同様の方法に固
体電解質型窒素酸化物ガスセンサ素子を作製した。
Examples 14 and 15 A solid electrolyte type nitrogen oxide gas sensor element was prepared in the same manner as in Example 1 except that the starting materials for forming the solid electrolyte layer were of the type and the mixing ratio shown in Table 1. Produced.

【0106】LiLa9(SiO462と酸化チタン、
シリカ、ジルコニア、及び珪酸ジルコニウムから選ばれ
る少なくとも1種とを含む固体電解質粉末が合成された
ことはX線回折によって確認した。
LiLa 9 (SiO 4 ) 6 O 2 and titanium oxide,
It was confirmed by X-ray diffraction that a solid electrolyte powder containing at least one selected from silica, zirconia, and zirconium silicate was synthesized.

【0107】固体電解質層2は、上記固体電解質層の原
料粉末を一軸成形後、950℃の大気雰囲気で6時間焼
結して円盤状のペレットとした。
The solid electrolyte layer 2 was formed into a disk-shaped pellet by uniaxially molding the raw material powder for the solid electrolyte layer and then sintering it in an air atmosphere at 950 ° C. for 6 hours.

【0108】焼結後、LiLa9(SiO462、Ti
2、SiO2、ZrO2、およびZrSiO4とを標準試
料として、リートベルト法によりペレットを同定した。
得られた固体電解質層のリートベルト法による組成比を
表2に示す。
After sintering, LiLa 9 (SiO 4 ) 6 O 2 , Ti
Using O 2 , SiO 2 , ZrO 2 , and ZrSiO 4 as standard samples, pellets were identified by the Rietveld method.
Table 2 shows the composition ratio of the obtained solid electrolyte layer by the Rietveld method.

【0109】以上の方法によって作製した固体電解質型
窒素酸化物ガスセンサ素子に対し、耐水性試験および経
時安定性の試験を行った。その結果を表3に示した。耐
水試験による起電力、感度低下はほとんどなく、経時変
化も0.5%以内であった。
The solid electrolyte type nitrogen oxide gas sensor element manufactured by the above method was subjected to a water resistance test and a stability test with time. Table 3 shows the results. There was almost no decrease in electromotive force and sensitivity in the water resistance test, and the change with time was within 0.5%.

【0110】比較例1 固体電解質層2として、市販の高純度ジルコニア粉末の
みを一軸成形後、1250℃の大気雰囲気で6時間焼結
して円盤状のペレットとした他は、実施例1と同様の方
法で固体電解質型窒素酸化物ガスセンサ素子を作製し
た。
Comparative Example 1 The same procedure as in Example 1 was carried out except that a commercially available high-purity zirconia powder alone was uniaxially formed as the solid electrolyte layer 2 and then sintered in an air atmosphere at 1250 ° C. for 6 hours to obtain a disk-shaped pellet. A solid electrolyte type nitrogen oxide gas sensor element was produced by the method described above.

【0111】以上のように作製したセンサ素子に対し、
耐水性試験を行ったが、窒素酸化物ガス濃度に応じた起
電力を発生せず、窒素酸化物ガスに対して感度を示さな
かった。結果を表3に示した。
For the sensor element manufactured as described above,
A water resistance test was performed, but no electromotive force was generated according to the concentration of the nitrogen oxide gas, and no sensitivity was shown to the nitrogen oxide gas. The results are shown in Table 3.

【0112】比較例2 固体電解質層2として、市販の珪酸ジルコニウム粉末の
みを一軸成形後、1250℃の大気雰囲気で6時間焼結
して円盤状のペレットとした他は、実施例1と同様の方
法で固体電解質型窒素酸化物ガスセンサ素子を作製し
た。
Comparative Example 2 The same procedure as in Example 1 was carried out except that only commercially available zirconium silicate powder was uniaxially formed as the solid electrolyte layer 2 and then sintered at 1250 ° C. in an air atmosphere for 6 hours to obtain a disk-shaped pellet. A solid electrolyte type nitrogen oxide gas sensor element was fabricated by the method.

【0113】以上のように作製したセンサ素子に対し、
耐水試験を行ったが、窒素酸化物ガス濃度に応じた起電
力を発生せず、窒素酸化物ガスに対して感度を示さなか
った。結果を表3に示した。
For the sensor element manufactured as described above,
A water resistance test was performed, but no electromotive force was generated according to the concentration of the nitrogen oxide gas, and no sensitivity was exhibited for the nitrogen oxide gas. The results are shown in Table 3.

【0114】比較例3 固体電解質層2として、市販のLi2SiO3粉末のみを
一軸成形後、1100℃の大気雰囲気で6時間焼結して
円盤状のペレットとした他は、実施例1と同様の方法で
固体電解質型窒素酸化物ガスセンサ素子を作製した。
Comparative Example 3 The same procedure as in Example 1 was carried out except that only commercially available Li 2 SiO 3 powder was uniaxially formed as the solid electrolyte layer 2 and then sintered in an air atmosphere at 1100 ° C. for 6 hours to obtain a disc-shaped pellet. A solid electrolyte type nitrogen oxide gas sensor element was manufactured in the same manner.

【0115】以上のように作製したセンサ素子に対し、
耐水性試験および起電力安定化時間の測定を行い、その
結果を表3に示した。耐水性試験により起電力が130
mV以上低下した。また、安定化時間も12時間以上で
あった。
For the sensor element manufactured as described above,
The water resistance test and the measurement of the electromotive force stabilization time were performed, and the results are shown in Table 3. The electromotive force is 130 by the water resistance test.
mV or more. Further, the stabilization time was 12 hours or more.

【0116】比較例4 固体電解質層にナシコンよりなる固体電解質層を用いた
他は、実施例1と同様の方法で固体電解質型窒素酸化物
ガスセンサ素子を作製した。
Comparative Example 4 A solid electrolyte type nitrogen oxide gas sensor element was manufactured in the same manner as in Example 1 except that a solid electrolyte layer made of NASICON was used for the solid electrolyte layer.

【0117】固体電解質層を形成するための固体電解質
粉末は、珪酸ジルコニウムとリン酸ナトリウムをNa3
Zr2Si2PO12の組成になるように混合し、1100
℃の大気雰囲気で6時間、焼成することによって得た。
固体電解質層は、上記固体電解質粉末を一軸成形後、1
200℃の大気雰囲気で10時間焼結して円盤状のペレ
ットとした。
The solid electrolyte powder for forming the solid electrolyte layer is made of zirconium silicate and sodium phosphate containing Na 3
Zr 2 Si 2 PO 12 is mixed so that the composition becomes 1100.
It was obtained by baking for 6 hours in an air atmosphere at a temperature of ° C.
The solid electrolyte layer is formed by uniaxially molding the solid electrolyte powder,
Sintering was performed at 200 ° C. in an air atmosphere for 10 hours to obtain disc-shaped pellets.

【0118】以上のように作製したセンサ素子に対し、
耐水性試験および起電力安定化時間の測定を行い、その
結果を表3に示した。耐水性試験により起電力が200
mV以上低下した。また、安定化時間も20時間以上で
あった。
With respect to the sensor element manufactured as described above,
The water resistance test and the measurement of the electromotive force stabilization time were performed, and the results are shown in Table 3. Electromotive force is 200 by water resistance test
mV or more. Further, the stabilization time was 20 hours or more.

【0119】[0119]

【表1】 [Table 1]

【0120】[0120]

【表2】 [Table 2]

【0121】[0121]

【表3】 [Table 3]

【0122】[0122]

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

【図1】 窒素酸化物ガスセンサ素子の代表的な態様を
示す断面図である。
FIG. 1 is a sectional view showing a typical embodiment of a nitrogen oxide gas sensor element.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1.検知極層(作用電極層) 2.固体電解質層 3.対極層(参照電極層) 4.セラミックス板 5.接着剤 6.ヒータ 7.電源 8.電圧計 1. 1. Detection electrode layer (working electrode layer) Solid electrolyte layer 3. 3. Counter electrode layer (reference electrode layer) Ceramic plate 5. Adhesive 6. Heater 7. Power supply 8. voltmeter

Claims (2)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】Li2Si25、Li2TiSiO5、Li
LaSiO4、及びLiLa9(SiO462から選ば
れる少なくとも1種を含む固体電解質層の表面に、一対
の電極層が形成されてなる固体電解質型窒素酸化物ガス
センサ素子。
1. A method according to claim 1, wherein the first and second electrodes are Li 2 Si 2 O 5 , Li 2 TiSiO 5 , Li
A solid electrolyte type nitrogen oxide gas sensor element comprising a pair of electrode layers formed on the surface of a solid electrolyte layer containing at least one selected from LaSiO 4 and LiLa 9 (SiO 4 ) 6 O 2 .
【請求項2】(a)Li2Si25、Li2TiSi
5、LiLaSiO4、及びLiLa9(SiO462
から選ばれる少なくとも1種と、(b)酸化チタン、シ
リカ、ジルコニア、及び珪酸ジルコニウムから選ばれる
少なくとも1種とを含む固体電解質層の表面に、一対の
電極層が形成されてなる固体電解質型窒素酸化物ガスセ
ンサ素子。
2. (a) Li 2 Si 2 O 5 , Li 2 TiSi
O 5 , LiLaSiO 4 and LiLa 9 (SiO 4 ) 6 O 2
Solid electrolyte type nitrogen formed by forming a pair of electrode layers on the surface of a solid electrolyte layer containing at least one selected from the group consisting of: (b) titanium oxide, silica, zirconia, and zirconium silicate Oxide gas sensor element.
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