JP2006090898A - Nitrogen oxide sensor - Google Patents

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Seiji Hasei
政治 長谷井
Norio Miura
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Riken Corp
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a nitrogen oxide sensor capable of detecting the concentration of a nitrogen oxide gas of low concentration with high accuracy, hardly receiving the effect of the concentration of coexisting oxygen and showing sufficient detection precision at an operation temperature exceeding 700°C. <P>SOLUTION: The nitrogen oxide sensor is equipped with an oxygen ion conductive solid electrolyte 1, the detection electrode 2 formed on the solid electrolyte 1, a reference electrode 3, a means 8 for detecting the concentration of nitrogen oxide by the potential difference between the detection electrode 2 and the reference electrode 3 and a means for heating the solid electrolyte 1, the detection electrode 2 and the reference electrode 3. The main constituent substance of the detection electrode 2 is at least one kind of an oxide selected from among the group consisting of tin oxide, iron oxide, titanium oxide, gallium oxide, chromium oxide and zinc oxide and the ratio t/R<SP>2</SP>of the average thickness (t) of the detection electrode and the square of the average crystal particle size R of particles for constituting the detection electrode is 30 or below. <P>COPYRIGHT: (C)2006,JPO&NCIPI

Description

本発明は、測定対象ガス中の窒素酸化物ガスの濃度を検出するセンサに関し、特に燃焼炉や自動車等の内燃機関の排出ガスを対象とした測定に好適なセンサに関する。   The present invention relates to a sensor for detecting the concentration of nitrogen oxide gas in a measurement target gas, and more particularly to a sensor suitable for measurement of exhaust gas from an internal combustion engine such as a combustion furnace or an automobile.

地球環境保全の観点から、燃焼炉、自動車等の内燃機関から排出される窒素酸化物ガスを抑制することが求められている。特に自動車から排出される窒素酸化物の濃度を押える方策として、触媒の開発、燃焼制御、及びこれらの技術を統合した制御システムの開発が盛んに行われている。このような制御システムの開発に伴い、窒素酸化物の濃度を直接検出できるセンサが要求されている。自動車分野では、世界的に排ガス規制値が厳しくなっていくことは明らかであるため、排ガス後処理システム等に求められる窒素酸化物ガス検知濃度域は益々低濃度側に移行していくと考えられている。   From the viewpoint of global environmental conservation, it is required to suppress nitrogen oxide gas discharged from internal combustion engines such as combustion furnaces and automobiles. In particular, as a measure for suppressing the concentration of nitrogen oxides emitted from automobiles, development of catalysts, combustion control, and development of control systems that integrate these technologies are actively performed. With the development of such a control system, a sensor that can directly detect the concentration of nitrogen oxides is required. In the automotive field, it is clear that exhaust emission regulations will become stricter globally, so the nitrogen oxide gas detection concentration range required for exhaust gas aftertreatment systems, etc. is expected to shift more and more to the low concentration side. ing.

さらに、自動車の排ガス中の窒素酸化物ガス濃度を測定するセンサは、高温作動できることが必須である。窒素酸化物ガスセンサは、もともと高温の排気ガスに曝されるものであるが、排ガス中の窒素酸化物ガス濃度を低減すべく触媒を短時間で活性化させるため、触媒の取り付け位置をエンジン側にシフトさせる等の試みがされており、センサを使用する環境の温度は高温側、具体的には700〜900℃程度に移行するものと考えられる。したがって、窒素酸化物ガスのセンサには、このような高温の環境において十分な検知精度を示すことが求められている。   Furthermore, it is essential that a sensor for measuring the concentration of nitrogen oxide gas in the exhaust gas of an automobile can operate at a high temperature. Nitrogen oxide gas sensors are originally exposed to high-temperature exhaust gas, but in order to activate the catalyst in a short time in order to reduce the concentration of nitrogen oxide gas in the exhaust gas, the catalyst mounting position is placed on the engine side. There have been attempts to shift the temperature, and the temperature of the environment in which the sensor is used is considered to shift to the high temperature side, specifically, about 700 to 900 ° C. Therefore, the nitrogen oxide gas sensor is required to exhibit sufficient detection accuracy in such a high temperature environment.

これまでに提案されたセンサは、2種に大別される。その1つがいわゆる限界電流式のセンサであり、もう1つは、いわゆる起電力型のセンサである。限界電流式のセンサは窒素酸化物ガスを電気化学的に電解し、得られた酸素の電解電流値から窒素酸化物濃度を検出するもので、特開平8-271476号等に記載されている。限界電流式センサは、700℃程度の比較的高温の環境で使用するのに適している。しかしながら、窒素酸化物の濃度が希薄な場合には共存する酸素濃度の干渉を大きく受けるという問題や、信号電流が微弱であるため大きなノイズの発生する環境で使用するとシグナル/ノイズ比(S/N比)が悪いという問題がある。そのため、限界電流式センサを自動車等に適用するには、複雑な制御や回路設計が要求される。   The sensors proposed so far are roughly classified into two types. One of them is a so-called limit current type sensor, and the other is a so-called electromotive force type sensor. The limiting current type sensor electrochemically electrolyzes nitrogen oxide gas and detects the nitrogen oxide concentration from the obtained electrolysis current value of oxygen, and is described in JP-A-8-271476. The limiting current type sensor is suitable for use in a relatively high temperature environment of about 700 ° C. However, when the concentration of nitrogen oxide is dilute, there is a problem of large interference with coexisting oxygen concentration, and since the signal current is weak, the signal / noise ratio (S / N) is used in an environment where large noise is generated. Ratio) is bad. Therefore, complicated control and circuit design are required to apply the limiting current sensor to an automobile or the like.

一方、起電力型センサは、窒素酸化物ガスに対する電極電位に差がある2つの電極に生じる電位差により窒素酸化物濃度を検出するもので、特許3195758号(特許文献1)等に記載されている。起電力型センサの場合、低濃度の窒素酸化物に対して高い電極電位を発生する電極を用いることにより高精度で窒素酸化物濃度を検出することができる。しかし、窒素酸化物に対して電極電位を発生する電極は、少なからず酸素に対しても電極電位を発生するため、酸素の影響を無視できず、自動車の排ガスのように酸素を含む被検ガス中の窒素酸化物ガス濃度の検出には適していないという問題がある。   On the other hand, an electromotive force type sensor detects a nitrogen oxide concentration by a potential difference generated between two electrodes having a difference in electrode potential with respect to a nitrogen oxide gas, and is described in Japanese Patent No. 3195758 (Patent Document 1). . In the case of an electromotive force type sensor, the nitrogen oxide concentration can be detected with high accuracy by using an electrode that generates a high electrode potential with respect to a low concentration of nitrogen oxide. However, since the electrode that generates the electrode potential with respect to nitrogen oxide generates the electrode potential with respect to oxygen, the influence of oxygen cannot be ignored. There is a problem that it is not suitable for the detection of the nitrogen oxide gas concentration therein.

本発明者らは、以前、起電力型センサのなかでも窒素酸化物と酸素との電気化学的な反応を併発してなる混成電位式センサを提案した。特許3524980号(特許文献2)にはMn、Fe、Co、Niのいずれかの酸化物を主成分とする検知電極を有する混成電位式の窒素酸化物センサが記載されている。窒素酸化物の代表的なガスとしてNOとNO2があるが、混成電位式センサの検知電極においては、NOを検出する場合に下記式(1) により表される反応と、下記式(2) により表される反応とが同時に起こる。
O2 + 4e- → 2O2- ・・・・・・・・ (1)
2NO + 2O2- → 2NO2 + 4e- ・・・・ (2)
The inventors of the present invention have previously proposed a hybrid electric potential type sensor that combines an electrochemical reaction between nitrogen oxides and oxygen among electromotive force sensors. Japanese Patent No. 3524980 (Patent Document 2) describes a mixed potential type nitrogen oxide sensor having a detection electrode mainly composed of an oxide of Mn, Fe, Co, or Ni. As typical gases of nitrogen oxides, there are NO and NO 2, but in the detection electrode of the mixed potential type sensor, when detecting NO, the reaction represented by the following formula (1) and the following formula (2) The reaction represented by
O 2 + 4e - → 2O 2- ········ (1)
2NO + 2O 2- → 2NO 2 + 4e - ···· (2)

一方、NO2を検知する場合には検知電極において下記式(3) により表される反応と、下記式(4) により表される反応とが同時に起こる。
2O2- → O2 + 4e ・・・・・・・・ (3)
2NO2 + 4e- → 2NO + 2O2- ・・・・ (4)
On the other hand, when NO 2 is detected, a reaction represented by the following formula (3) and a reaction represented by the following formula (4) occur simultaneously at the sensing electrode.
2O 2- → O 2 + 4e (3)
2NO 2 + 4e - → 2NO + 2O 2- ···· (4)

混成電位式の窒素酸化物センサは、上記式(1) 〜(4) に示す反応を利用するものであるために、共存する酸素濃度の影響を受け難いという特長を有する。しかしながら、混成電位式センサの出力は大きな温度依存性を示すことがわかっている。センサ作動温度を高くすると混成電位式センサの出力は小さくなり、実用上、センサの作動温度は500〜700℃であった。   The hybrid potential type nitrogen oxide sensor utilizes the reactions shown in the above formulas (1) to (4), and therefore has a feature that it is hardly affected by the coexisting oxygen concentration. However, it has been found that the output of the hybrid potential sensor exhibits a large temperature dependence. When the sensor operating temperature was increased, the output of the mixed potential sensor was decreased, and the sensor operating temperature was 500 to 700 ° C. in practical use.

特許3195758号公報Japanese Patent No. 3195758 特許3524980号公報Japanese Patent No. 3524980

従って本発明の目的は、低濃度の窒素酸化物ガス濃度を高精度に検出可能であって、共存する酸素濃度の影響を受け難く、かつ700℃を超える作動温度においても十分な検知精度を示す窒素酸化物センサを提供することである。   Therefore, an object of the present invention is to detect a low concentration of nitrogen oxide gas with high accuracy, to be hardly affected by the coexisting oxygen concentration, and to show sufficient detection accuracy even at an operating temperature exceeding 700 ° C. A nitrogen oxide sensor is provided.

上記目的に鑑み鋭意研究の結果、本発明者らは、混成電位式の窒素酸化物センサの検知電極の平均厚さtと、検知電極を構成する粒子の平均結晶粒径Rとの関係に初めて着目し、酸化ニッケル等の金属酸化物からなる検知電極の平均厚さtと、検知電極を構成する粒子の平均結晶粒径Rの二乗との比(t/R)を30以下とすると、700℃を超える作動温度においても低濃度の窒素酸化物ガス濃度を高精度に検出しうることを発見し、本発明に想到した。 As a result of earnest research in view of the above object, the present inventors are the first to investigate the relationship between the average thickness t of the detection electrode of the mixed potential type nitrogen oxide sensor and the average crystal grain size R of the particles constituting the detection electrode. Paying attention, if the ratio (t / R 2 ) between the average thickness t of the detection electrode made of a metal oxide such as nickel oxide and the square of the average crystal grain size R of the particles constituting the detection electrode is 30 or less, It was discovered that a low concentration of nitrogen oxide gas can be detected with high accuracy even at an operating temperature exceeding 700 ° C., and the present invention has been conceived.

すなわち本発明の窒素酸化物センサは、酸素イオン伝導性の固体電解質体と、前記固体電解質体に形成された検知電極と、参照電極と、前記検知電極及び前記参照電極の間の電位差によって窒素酸化物濃度を検知する手段と、前記固体電解質体、前記検知電極及び前記参照電極を加熱する手段とを具備し、前記検知電極の主たる構成物質は酸化ニッケル、酸化すず、酸化鉄、酸化チタン、酸化ガリウム、酸化クロム及び酸化亜鉛からなる群より選ばれた少なくとも一種の酸化物であり、前記検知電極の平均厚さtと、前記検知電極を構成する粒子の平均結晶粒径Rの二乗との比t/Rは30以下であることを特徴とする。 That is, the nitrogen oxide sensor according to the present invention includes a solid electrolyte body having oxygen ion conductivity, a detection electrode formed on the solid electrolyte body, a reference electrode, and a potential difference between the detection electrode and the reference electrode. A means for detecting an object concentration, and a means for heating the solid electrolyte body, the detection electrode, and the reference electrode, and the main constituents of the detection electrode are nickel oxide, tin oxide, iron oxide, titanium oxide, oxidation It is at least one oxide selected from the group consisting of gallium, chromium oxide and zinc oxide, and the ratio between the average thickness t of the detection electrode and the square of the average crystal grain size R of the particles constituting the detection electrode t / R 2 is 30 or less.

窒素酸化物センサの前記検知電極は多孔質であるのが好ましく、前記検知電極の多孔度が5〜30体積%であるのが好ましい。   The sensing electrode of the nitrogen oxide sensor is preferably porous, and the porosity of the sensing electrode is preferably 5 to 30% by volume.

本発明の窒素酸化物センサは、700℃を超える作動温度においても窒素酸化物ガスに対する優れた感度を示す。このような特性を有する窒素酸化物センサを用いることにより、エンジンの直近で排ガス中の窒素酸化物ガス濃度をダイレクトに測定することが可能になるため、エンジンの燃焼制御精度の向上を図ることができる。   The nitrogen oxide sensor of the present invention exhibits excellent sensitivity to nitrogen oxide gas even at operating temperatures in excess of 700 ° C. By using a nitrogen oxide sensor having such characteristics, it becomes possible to directly measure the nitrogen oxide gas concentration in the exhaust gas in the immediate vicinity of the engine, so that the combustion control accuracy of the engine can be improved. it can.

図1は、本発明の窒素酸化物センサの一例を示す概略図である。図1に示す窒素酸化物センサは、板状の固体電解質体1と、固体電解質体1の一方の面1aに設けられた検知電極2と、他方の面1bに設けられた参照電極3とを有する。検知電極2及び参照電極3は、電位差測定手段8に接続されている。なお図示していないが、この窒素酸化物センサの固体電解質体1、検知電極2及び参照電極3は、外部加熱手段によって所定温度(750℃、800℃、850℃等)に加熱されるようになっている。例えば固体電解質体1、検知電極2及び参照電極3の近くに外部ヒータを有してもよいし、加熱炉の中で窒素酸化物センサを作動するようになっていてもよい。   FIG. 1 is a schematic view showing an example of the nitrogen oxide sensor of the present invention. The nitrogen oxide sensor shown in FIG. 1 includes a plate-shaped solid electrolyte body 1, a detection electrode 2 provided on one surface 1a of the solid electrolyte body 1, and a reference electrode 3 provided on the other surface 1b. Have. The detection electrode 2 and the reference electrode 3 are connected to the potential difference measuring means 8. Although not shown, the solid electrolyte body 1, the detection electrode 2 and the reference electrode 3 of the nitrogen oxide sensor are heated to a predetermined temperature (750 ° C., 800 ° C., 850 ° C., etc.) by an external heating means. It has become. For example, an external heater may be provided near the solid electrolyte body 1, the detection electrode 2, and the reference electrode 3, or the nitrogen oxide sensor may be operated in a heating furnace.

固体電解質体1は、酸素イオン伝導性を有する固体電解質からなる。固体電解質体はジルコニア(ZrO2)からなるのが好ましく、安定化剤を含有するのが好ましい。安定化剤の例として、イットリア(Y2O3)が挙げられる。イットリア等の安定化剤の添加量は3〜8mol%とするのが好ましい。 The solid electrolyte body 1 is made of a solid electrolyte having oxygen ion conductivity. The solid electrolyte body is preferably made of zirconia (ZrO 2 ), and preferably contains a stabilizer. An example of a stabilizer is yttria (Y 2 O 3 ). The addition amount of a stabilizer such as yttria is preferably 3 to 8 mol%.

固体電解質体1は焼成体である。窒素酸化物センサの製造方法の例として、ジルコニア等からなるグリーンシートに検知電極2及び参照電極3又はそれらの前駆体(未焼成体)を形成した後、焼結する方法が挙げられる。   The solid electrolyte body 1 is a fired body. As an example of the manufacturing method of the nitrogen oxide sensor, there is a method of sintering after forming the detection electrode 2 and the reference electrode 3 or their precursor (unfired body) on a green sheet made of zirconia or the like.

検知電極2は酸化ニッケル、酸化すず、酸化鉄、酸化チタン、酸化ガリウム、酸化クロム及び酸化亜鉛からなる群より選ばれた少なくとも一種の酸化物を主成分とする。検知電極2は、金属酸化物の結晶からなる粒子が融着し、膜状になったものである。検知電極を構成する粒子(主として金属酸化物の粒子)の好ましい平均結晶粒径Rは0.2〜3μmである。平均結晶粒径Rは、JISH0501の切断法に従い、検知電極2の表面及び/又は断面を電子顕微鏡観察し、融着した粒子を球状とみなして直径を計ることによって求めることができる。   The detection electrode 2 is mainly composed of at least one oxide selected from the group consisting of nickel oxide, tin oxide, iron oxide, titanium oxide, gallium oxide, chromium oxide and zinc oxide. The detection electrode 2 is a film formed by fusing particles made of metal oxide crystals. A preferable average crystal grain size R of particles (mainly metal oxide particles) constituting the detection electrode is 0.2 to 3 μm. The average crystal grain size R can be determined by observing the surface and / or cross section of the detection electrode 2 with an electron microscope according to the cutting method of JISH0501, and measuring the diameter by regarding the fused particles as spherical.

検知電極2の平均厚さtと、検知電極を構成する粒子の平均結晶粒径Rの二乗との比t/Rは30以下である。この比t/Rが30より大きいと、700℃を超える作動温度においては窒素酸化物の感度が低いため、十分な検知精度が得られにくい。センサ感度の温度依存性を考慮すると、作動温度を750〜850℃にする場合、t/R値を10以下にするのが好ましく、作動温度を850〜900℃にする場合、t/R値を5以下にするのが好ましい。 The ratio t / R 2 between the average thickness t of the detection electrode 2 and the square of the average crystal grain size R of the particles constituting the detection electrode is 30 or less. And the ratio t / R 2 is greater than 30, due to the low sensitivity of the nitrogen oxides in operating temperatures above 700 ° C., sufficient detection accuracy is difficult to obtain. Considering the temperature dependence of sensor sensitivity, when the operating temperature is 750 to 850 ° C, it is preferable to set the t / R 2 value to 10 or less, and when the operating temperature is 850 to 900 ° C, t / R 2 The value is preferably 5 or less.

検知電極2の形成方法の一例として、(a) 酸化物粒子、バインダー及び溶剤からなるペーストを調製し、(b) 固体電解質体1上にスクリーン印刷等によりパターン形成した後、(c) 脱脂及び(d) 焼成する方法が挙げられる。   As an example of a method for forming the detection electrode 2, (a) a paste made of oxide particles, a binder and a solvent is prepared, (b) a pattern is formed on the solid electrolyte body 1 by screen printing, and (c) degreasing and (d) The method of baking is mentioned.

スクリーン印刷法によって検知電極2を形成する場合、刷版条件、ペーストの濃度や組成、及び重ね印刷の回数等によって検知電極2の平均厚さtを制御できる。検知電極2の平均厚さtは1〜20μm程度とするのが好ましい。平均厚さtをこの範囲とすると、t/R値を30以下にし易い。スパッタリング等の蒸着法を用いる場合、蒸着時間によって検知電極2の平均厚さtを容易に制御することができる。いずれの形成方法による場合も、適切な形成条件を選択することによって、検知電極2の平均厚さtと平均結晶粒径Rの二乗の比t/Rを30以下にすることが可能である。例えば酸化ニッケル、酸化すず、酸化鉄、酸化チタン、酸化ガリウム、酸化クロム及び酸化亜鉛からなる群より選ばれた少なくとも一種の酸化物の粉末、バインダー及び溶剤を含有するペーストを固体電解質体1に塗布した後、脱脂及び焼成することによって検知電極2を形成する場合、金属酸化物の粉末径、焼成温度及び焼成雰囲気によって、検知電極2を構成する粒子の平均結晶粒径R、及び検知電極2の平均厚さtを所望の範囲にすることができる。 When the detection electrode 2 is formed by the screen printing method, the average thickness t of the detection electrode 2 can be controlled by the printing plate conditions, the paste concentration and composition, the number of times of overprinting, and the like. The average thickness t of the detection electrode 2 is preferably about 1 to 20 μm. When the average thickness t is in this range, the t / R 2 value is easily set to 30 or less. When using a vapor deposition method such as sputtering, the average thickness t of the detection electrode 2 can be easily controlled by the vapor deposition time. In any of the forming methods, the ratio t / R 2 of the square of the average thickness t of the detection electrode 2 and the average crystal grain size R can be set to 30 or less by selecting an appropriate forming condition. . For example, a paste containing at least one oxide powder selected from the group consisting of nickel oxide, tin oxide, iron oxide, titanium oxide, gallium oxide, chromium oxide and zinc oxide, a binder and a solvent is applied to the solid electrolyte body 1. After that, when the sensing electrode 2 is formed by degreasing and firing, the average crystal grain size R of the particles constituting the sensing electrode 2 and the sensing electrode 2 are determined according to the metal oxide powder diameter, firing temperature and firing atmosphere. The average thickness t can be in a desired range.

検知電極2は多孔質であるのが好ましい。検知電極2が多孔質である場合、多孔度(空孔率)は5〜30体積%であるのがより好ましい。5〜30体積%の多孔度を有する検知電極2は良好な応答速度を示す上、優れた耐久性を有する。多孔度が5体積%未満であると、三相界面までの通気抵抗が大きくなり、センサとしての応答速度が低下する可能性がある。多孔度が30体積%より大きいと、結晶粒子の結合強度が低下して、耐久性が悪化する可能性がある。   The detection electrode 2 is preferably porous. When the detection electrode 2 is porous, the porosity (porosity) is more preferably 5 to 30% by volume. The sensing electrode 2 having a porosity of 5 to 30% by volume exhibits a good response speed and excellent durability. If the porosity is less than 5% by volume, the ventilation resistance to the three-phase interface increases, and the response speed as a sensor may decrease. When the porosity is larger than 30% by volume, the bond strength of the crystal particles is lowered, and the durability may be deteriorated.

多孔質の検知電極2は、例えばスクリーン印刷法によって形成できる。検知電極2の多孔度は、例えばスクリーン印刷法を用いる場合には、印刷用ペースト材のバインダーの種類(昇華性の物質、焼失性の物質等)や量、溶剤量等によって制御することができる。昇華性バインダーとしてテオブロミン、ポリエチレン等が挙げられる。   The porous detection electrode 2 can be formed by, for example, a screen printing method. For example, when the screen printing method is used, the porosity of the detection electrode 2 can be controlled by the type and amount of binder (sublimation substance, burnout substance, etc.) and amount of solvent in the paste material for printing. . Examples of the sublimable binder include theobromine and polyethylene.

参照電極3は、固体電解質体1に電極として作用する形態で形成可能なものであればよい。ただし、窒素酸化物センサを700〜900℃で作動させる場合、耐熱性を有する電極材料からなる必要がある。好ましい参照電極3の例として、白金電極が挙げられる。白金からなる参照電極3を形成するには、例えばスクリーン印刷によって白金を含有するペーストを固体電解質体1にパターン形成した後、脱脂及び焼成すればよい。なお参照電極3は、図1に示すように固体電解質体1を介して形成してもよいし、検知電極2と同じ面に形成してもよい。固体電解質体1の同一面上に参照電極3及び検知電極2を形成しても同様の効果が得られることは自明である。   The reference electrode 3 may be anything that can be formed in a form that acts as an electrode on the solid electrolyte body 1. However, when operating a nitrogen oxide sensor at 700-900 degreeC, it needs to consist of an electrode material which has heat resistance. An example of a preferred reference electrode 3 is a platinum electrode. In order to form the reference electrode 3 made of platinum, for example, a paste containing platinum may be patterned on the solid electrolyte body 1 by screen printing, and then degreased and fired. The reference electrode 3 may be formed via the solid electrolyte body 1 as shown in FIG. 1 or may be formed on the same surface as the detection electrode 2. It is obvious that the same effect can be obtained even if the reference electrode 3 and the detection electrode 2 are formed on the same surface of the solid electrolyte body 1.

電位差測定手段8は、検知電極2及び参照電極3にそれぞれ設けられた導体(図示せず)に接続されている。各導体は、電気的な信号を取り出すことができるものであればよいが、耐熱性を有するのが好ましい。耐熱性を有する導体材料の例として、白金が挙げられる。電位差測定手段8は、検知電極2の電極電位と参照電極3の電極電位とをそれぞれ取り出し、検知電極2と参照電極3との間の電位差を測定する。   The potential difference measuring means 8 is connected to conductors (not shown) provided on the detection electrode 2 and the reference electrode 3, respectively. Each conductor may be any one that can extract an electrical signal, but preferably has heat resistance. An example of a heat-resistant conductor material is platinum. The potential difference measuring means 8 takes out the electrode potential of the detection electrode 2 and the electrode potential of the reference electrode 3, respectively, and measures the potential difference between the detection electrode 2 and the reference electrode 3.

図2は本発明の窒素酸化物センサの別の例を概略的に示す。図2に示す窒素酸化物センサは、一端が封じられた筒状の固体電解質体1を有する以外、図1に示す例とほぼ同じであるので、相違点のみ以下に説明する。固体電解質体1は一端が封じられた管、又は複数の平板からなる角筒である。検知電極2は筒状固体電解質体1の外面に形成されており、被検ガスに曝されている。参照電極3は筒状固体電解質体1の内面に形成されており、大気に曝されているので、被検ガスに接触していない。このように、参照電極3を被検ガスに接触しないように配置すると、大気を基準として窒素酸化物濃度を検出することができる。   FIG. 2 schematically shows another example of the nitrogen oxide sensor of the present invention. The nitrogen oxide sensor shown in FIG. 2 is substantially the same as the example shown in FIG. 1 except that it has a cylindrical solid electrolyte body 1 sealed at one end, and only the differences will be described below. The solid electrolyte body 1 is a tube with one end sealed or a rectangular tube made of a plurality of flat plates. The detection electrode 2 is formed on the outer surface of the cylindrical solid electrolyte body 1 and is exposed to a test gas. Since the reference electrode 3 is formed on the inner surface of the cylindrical solid electrolyte body 1 and is exposed to the atmosphere, it is not in contact with the test gas. Thus, when the reference electrode 3 is arranged so as not to contact the test gas, the nitrogen oxide concentration can be detected with reference to the atmosphere.

図3は、本発明の窒素酸化物センサのさらに別の例を示す。図3に示す窒素酸化物センサは、板状の固体電解質体1と、固体電解質体1の表面10に設けられた検知電極2及び参照電極3と、固体電解質体1に埋め込まれた熱電対6と、固体電解質体1の裏面1bに密着した抵抗体基板5と、固体電解質体1及び抵抗体基板5に挟持された抵抗体4とからなる。   FIG. 3 shows yet another example of the nitrogen oxide sensor of the present invention. The nitrogen oxide sensor shown in FIG. 3 includes a plate-shaped solid electrolyte body 1, a detection electrode 2 and a reference electrode 3 provided on the surface 10 of the solid electrolyte body 1, and a thermocouple 6 embedded in the solid electrolyte body 1. And the resistor substrate 5 in close contact with the back surface 1b of the solid electrolyte body 1 and the resistor 4 sandwiched between the solid electrolyte body 1 and the resistor substrate 5.

固体電解質体1は二層構造を有し、層間に熱電対6を挟んでいる。検知電極2及び参照電極3は固体電解質体1の同一の面(表面1a)に設けられている。検知電極2及び参照電極3は、ともに被検ガスに曝されるようになっている。検知電極2のみならず参照電極3も被検ガスに曝される場合、検知電極2と参照電極3の酸素に対する電極電位を同程度にしておくと、検知対象ガス雰囲気中に共存する酸素濃度の影響を抑えることができる。   The solid electrolyte body 1 has a two-layer structure, and a thermocouple 6 is sandwiched between the layers. The detection electrode 2 and the reference electrode 3 are provided on the same surface (surface 1a) of the solid electrolyte body 1. Both the detection electrode 2 and the reference electrode 3 are exposed to the test gas. When not only the detection electrode 2 but also the reference electrode 3 is exposed to the test gas, if the electrode potential of the detection electrode 2 and the reference electrode 3 with respect to oxygen is set to the same level, the oxygen concentration coexisting in the detection target gas atmosphere can be reduced. The influence can be suppressed.

抵抗体4は固体電解質体1に密着し、固体電解質体1を加熱する。一般的な抵抗体であれば抵抗体4として使用可能である。抵抗体4によって固体電解質体1に与えられた熱は、検知電極2及び参照電極3に伝わる。抵抗体4による加熱によって、検知電極2及び参照電極3の温度は所定温度に保持される。抵抗体4の材質の例として、白金が挙げられる。白金からなる抵抗体4を基板5上に作製するには、例えば白金を含有するペーストをスクリーン印刷等によってパターン形成した後、脱脂、焼成すればよい。   The resistor 4 is in close contact with the solid electrolyte body 1 and heats the solid electrolyte body 1. A general resistor can be used as the resistor 4. The heat given to the solid electrolyte body 1 by the resistor 4 is transmitted to the detection electrode 2 and the reference electrode 3. By the heating by the resistor 4, the temperature of the detection electrode 2 and the reference electrode 3 is maintained at a predetermined temperature. An example of the material of the resistor 4 is platinum. In order to produce the resistor 4 made of platinum on the substrate 5, for example, a paste containing platinum may be patterned by screen printing or the like, and then degreased and fired.

抵抗体基板5は板状であり、固体電解質体1の裏面1bに接合されている。抵抗体基板5の固体電解質体1との接合面の一部には、抵抗体4が形成されているので、抵抗体4は固体電解質体1に密着している。抵抗体基板5は固体電解質体1に接触するので、電気絶縁性を有する必要がある。したがって(a) 絶縁材からなるか、(b) 非絶縁材の板の少なくとも一面に電気絶縁性の膜を有するのが好ましい。絶縁材からなる抵抗体基板5の例として、アルミナ板が挙げられる。電気絶縁性の膜を有する抵抗体基板5の例として、アルミナ膜を有するジルコニア板が挙げられる。   The resistor substrate 5 has a plate shape and is bonded to the back surface 1b of the solid electrolyte body 1. Since the resistor 4 is formed on a part of the joint surface of the resistor substrate 5 with the solid electrolyte body 1, the resistor 4 is in close contact with the solid electrolyte body 1. Since the resistor substrate 5 is in contact with the solid electrolyte body 1, it must have electrical insulation. Therefore, it is preferable that (a) be made of an insulating material, or (b) have an electrically insulating film on at least one surface of a non-insulating material plate. An example of the resistor substrate 5 made of an insulating material is an alumina plate. An example of the resistor substrate 5 having an electrically insulating film is a zirconia plate having an alumina film.

抵抗体基板5を固体電解質体1に接合するには、例えばガラス等を用いて抵抗体基板5を固体電解質体1に融着する。抵抗体基板5を固体電解質体1に融着する材料として、ガラスの他に、固体電解質体1と同じ材料が挙げられる。抵抗体基板5及び固体電解質体1を一括して焼成する場合、固体電解質体1と同じ材料を融着剤とすることは、熱的特性の観点から好ましい。   In order to join the resistor substrate 5 to the solid electrolyte body 1, the resistor substrate 5 is fused to the solid electrolyte body 1 using, for example, glass. Examples of the material for fusing the resistor substrate 5 to the solid electrolyte body 1 include the same material as the solid electrolyte body 1 in addition to glass. When firing the resistor substrate 5 and the solid electrolyte body 1 in a lump, it is preferable to use the same material as the solid electrolyte body 1 as a fusing agent from the viewpoint of thermal characteristics.

熱電対6は正脚61と負脚62とからなり、固体電解質体1中に長手方向に延在する。熱電対正脚61及び熱電対負脚62は、異種の金属又は異なる組成を有する合金からなる。図3に示す例では、熱電対6の先端は、検知電極2及び参照電極3からほぼ等しい距離にあるが、検知電極2寄り又は参照電極3寄りにずれた位置にあってもよい。所定の作動温度(例えば700〜900℃)の環境で使用可能であって、かつ固体電解質体1等の温度を正確に感知できる限り、熱電対正脚61及び熱電対負脚62の材料及び形状は特に限定されず、一般的な熱電対と同じでよい。   The thermocouple 6 includes a positive leg 61 and a negative leg 62 and extends in the longitudinal direction in the solid electrolyte body 1. The thermocouple positive leg 61 and the thermocouple negative leg 62 are made of different metals or alloys having different compositions. In the example shown in FIG. 3, the tip of the thermocouple 6 is at an approximately equal distance from the detection electrode 2 and the reference electrode 3, but may be at a position shifted toward the detection electrode 2 or the reference electrode 3. As long as it can be used in an environment of a predetermined operating temperature (for example, 700 to 900 ° C.) and the temperature of the solid electrolyte body 1 or the like can be accurately sensed, the materials and shapes of the thermocouple positive leg 61 and the thermocouple negative leg 62 Is not particularly limited, and may be the same as a general thermocouple.

熱電対6を固体電解質体1中に設けるには、固体電解質体1の第一層上に熱電対正脚61及び熱電対負脚62を形成し、その上に固体電解質体1の第二層を重ねて一体化する。例えばグリーンシート(第一層)上に正脚成分を含有するペースト(例えば白金含有ペースト)と、負脚成分を含有するペースト(例えば白金と金の合金を含有するペースト)とをスクリーン印刷した後、別のグリーンシート(第二層)を圧着し、脱脂及び焼成する。   In order to provide the thermocouple 6 in the solid electrolyte body 1, the thermocouple positive leg 61 and the thermocouple negative leg 62 are formed on the first layer of the solid electrolyte body 1, and the second layer of the solid electrolyte body 1 is formed thereon. Are integrated. For example, after screen printing a paste containing a positive leg component (for example, a platinum-containing paste) and a paste containing a negative leg component (for example, a paste containing an alloy of platinum and gold) on a green sheet (first layer) Then, another green sheet (second layer) is pressure-bonded, degreased and fired.

熱電対6はフィードバック機構(図示せず)に接続されており、熱電対6によって計測した固体電解質体1の温度は、抵抗体4の印加電圧にフィードバックされるようになっている。フィードバック機構により、固体電解質体1、検知電極2及び参照電極3の温度を好ましい作動温度、例えば700〜900℃に精密に制御できる。固体電解質体1等の温度制御により、温度変化に由来するセンサ信号のバラつきを抑制し、高い出力精度を得ることができる。   The thermocouple 6 is connected to a feedback mechanism (not shown), and the temperature of the solid electrolyte body 1 measured by the thermocouple 6 is fed back to the voltage applied to the resistor 4. By the feedback mechanism, the temperature of the solid electrolyte body 1, the detection electrode 2, and the reference electrode 3 can be precisely controlled to a preferable operating temperature, for example, 700 to 900 ° C. By controlling the temperature of the solid electrolyte body 1 or the like, it is possible to suppress variations in sensor signals resulting from temperature changes and to obtain high output accuracy.

図4(a) 及び(b) に示す窒素酸化物センサは、固体電解質体1にほぼ平行に設けられた大気ダクト形成体11を有する以外、図3に示す例とほぼ同じであるので、相違点のみ以下に説明する。なお図の簡単化のために、図4(b) においては電位差測定手段8を省略している。大気ダクト形成体11は、スペーサ10の上面に固定されている。図4(a) 及び(b) に示すように、スペーサ10と大気ダクト形成体11は参照電極3を覆い、かつ検知電極2を露出させるように設けられている。そのため固体電解質体1、スペーサ10及び大気ダクト形成体11によって形成された空間は大気ダクト12となって、参照電極3は大気に接触して大気雰囲気に応じた電極電位を示し、基準電極として作用する。   The nitrogen oxide sensor shown in FIGS. 4 (a) and 4 (b) is substantially the same as the example shown in FIG. 3 except that it has an air duct forming body 11 provided substantially in parallel to the solid electrolyte body 1, and therefore the difference is different. Only the point will be described below. For simplification of the figure, the potential difference measuring means 8 is omitted in FIG. The air duct forming body 11 is fixed to the upper surface of the spacer 10. As shown in FIGS. 4A and 4B, the spacer 10 and the air duct forming body 11 are provided so as to cover the reference electrode 3 and expose the detection electrode 2. Therefore, the space formed by the solid electrolyte body 1, the spacer 10 and the air duct forming body 11 becomes the air duct 12, and the reference electrode 3 is in contact with the air and exhibits an electrode potential corresponding to the air atmosphere and acts as a reference electrode. To do.

スペーサ10と大気ダクト形成体11の材質は十分な耐熱性と機械的強度を有する限り特に限定されないが、熱的特性の観点から固体電解質体1と同じ材料からなるのが好ましい。   The material of the spacer 10 and the air duct forming body 11 is not particularly limited as long as it has sufficient heat resistance and mechanical strength, but is preferably made of the same material as that of the solid electrolyte body 1 from the viewpoint of thermal characteristics.

図5(a) 及び(b)に示す窒素酸化物センサは、窒素酸化物センサのさらに別の例を示す。なお図5(b) においては電位差測定手段8を省略している。この窒素酸化物センサは表面1aに検知電極2を有し、裏面1bに参照電極3を有する固体電解質体1と、固体電解質体1にほぼ平行に設けられた抵抗体基板5とからなる。図5に示すように固体電解質体1の表裏に検知電極2及び参照電極3が形成されていると、検知電極2と参照電極3とが近いため、温度制御し易いというメリットがある。   The nitrogen oxide sensor shown in FIGS. 5A and 5B shows still another example of the nitrogen oxide sensor. In FIG. 5B, the potential difference measuring means 8 is omitted. This nitrogen oxide sensor includes a solid electrolyte body 1 having a detection electrode 2 on the front surface 1a and a reference electrode 3 on the back surface 1b, and a resistor substrate 5 provided substantially parallel to the solid electrolyte body 1. As shown in FIG. 5, when the detection electrode 2 and the reference electrode 3 are formed on the front and back of the solid electrolyte body 1, the detection electrode 2 and the reference electrode 3 are close to each other.

図5(b) に示すように、固体電解質体1の裏面1bと抵抗体基板5との間にはコの字型のスペーサ10が挟まれており、固体電解質体1、抵抗体基板5及びスペーサ10によって形成した空間は、大気ダクト12となっている。参照電極3は大気ダクト12内にあるので大気に接触し、検知電極2は大気ダクト12外であるので、被検ガスに接触する。   As shown in FIG. 5 (b), a U-shaped spacer 10 is sandwiched between the back surface 1b of the solid electrolyte body 1 and the resistor substrate 5, and the solid electrolyte body 1, the resistor substrate 5 and A space formed by the spacer 10 is an air duct 12. Since the reference electrode 3 is in the atmospheric duct 12, it is in contact with the atmosphere, and since the detection electrode 2 is outside the atmospheric duct 12, it is in contact with the test gas.

抵抗体基板5は第一の基板51と、第二の基板52とからなる。図5に示す例では、第一の基板51と第二の基板52の間に抵抗体4が挟まれており、第一の基板51内に熱電対6が長手方向に延設されているが、抵抗体4及び熱電対6を支持する抵抗体基板5の構造は、これに限定されず、熱電対6によって抵抗体基板5の温度を感知しながら抵抗体4によって抵抗体基板5を加熱可能であればよい。熱的特性の観点から、第一の基板51及び第二の基板52は固体電解質体1と同じ材料からなるのが好ましい。   The resistor substrate 5 includes a first substrate 51 and a second substrate 52. In the example shown in FIG. 5, the resistor 4 is sandwiched between the first substrate 51 and the second substrate 52, and the thermocouple 6 extends in the longitudinal direction in the first substrate 51. The structure of the resistor substrate 5 that supports the resistor 4 and the thermocouple 6 is not limited to this, and the resistor substrate 5 can be heated by the resistor 4 while sensing the temperature of the resistor substrate 5 by the thermocouple 6. If it is. From the viewpoint of thermal characteristics, the first substrate 51 and the second substrate 52 are preferably made of the same material as the solid electrolyte body 1.

窒素酸化物センサを自動車等の内燃機関に適用する場合、被検ガスは窒素酸化物ガスの他に炭化水素ガスや一酸化炭素ガス等の還元性ガスを含む。そのため窒素酸化物センサはこれら還元性ガスの干渉を少なからず受ける可能性がある。また混成電位型センサの場合、NOとNO2とでは出力特性が逆向きで、相互に干渉しあうことがわかっている。そうした場合には、特許第3195758号に記載のような酸素ポンピングを用いた機能を適宜採用すればよい。酸素ポンピングを用いた機能は、本発明の本質的な作用、効果に関するものではないので、詳細な説明は省略する。 When the nitrogen oxide sensor is applied to an internal combustion engine such as an automobile, the test gas includes a reducing gas such as a hydrocarbon gas or a carbon monoxide gas in addition to the nitrogen oxide gas. Therefore, the nitrogen oxide sensor may receive a considerable amount of interference from these reducing gases. In the case of a hybrid potential sensor, it is known that the output characteristics of NO and NO 2 are opposite to each other and interfere with each other. In such a case, a function using oxygen pumping as described in Japanese Patent No. 3195758 may be adopted as appropriate. Since the function using the oxygen pumping is not related to the essential operation and effect of the present invention, detailed description thereof is omitted.

[2] 窒素酸化物センサの製造方法
図1〜5に示すような窒素酸化物センサは、グリーンシートを用いて作製することができる。図5に示す窒素酸化物センサを例にとって、グリーンシートを用いた製造方法を説明する。
[2] Manufacturing Method of Nitrogen Oxide Sensor A nitrogen oxide sensor as shown in FIGS. 1 to 5 can be manufactured using a green sheet. Taking the nitrogen oxide sensor shown in FIG. 5 as an example, a manufacturing method using a green sheet will be described.

まずグリーンシートに検知電極2、参照電極3及びリード導体をスクリーン印刷し、シートIを得る。別のグリーンシートに熱電対6用の金属を含有するペーストを印刷する(シートII、第一の基板51上層用)。さらに別のグリーンシートに抵抗体4に接触する部分に絶縁層を形成する(シートIII、第一の基板51下層用)。さらに別のグリーンシートに絶縁性金属を含有するペーストを塗布した後、抵抗体4用の金属を含有するペーストをスクリーン印刷する(シートVI、第二の基板52用)。得られたシートVI、シートIII、シートII、スペーサ10及びシートIを治具に嵌め、圧着する。得られた積層体を約500℃で脱脂し、次いで通常1400℃以上で焼結する。最後に、リード導体にPt等のリード線を溶接する。   First, the detection electrode 2, the reference electrode 3, and the lead conductor are screen-printed on a green sheet to obtain a sheet I. A paste containing a metal for the thermocouple 6 is printed on another green sheet (sheet II, for the upper layer of the first substrate 51). Furthermore, an insulating layer is formed on another green sheet at a portion in contact with the resistor 4 (sheet III, for the lower layer of the first substrate 51). Further, after applying a paste containing an insulating metal to another green sheet, a paste containing a metal for the resistor 4 is screen-printed (sheet VI, for the second substrate 52). The obtained sheet VI, sheet III, sheet II, spacer 10 and sheet I are fitted into a jig and are crimped. The resulting laminate is degreased at about 500 ° C. and then sintered usually at 1400 ° C. or higher. Finally, a lead wire such as Pt is welded to the lead conductor.

本発明を以下の実施例によってさらに詳細に説明するが、本発明はそれらに限定されるものではない。   The present invention will be described in more detail with reference to the following examples, but the present invention is not limited thereto.

実施例1
図1に示す構造を有する窒素酸化物センサを、次に示すように作製した。
(1) 固体電解質体1用グリーンシート
ボールミルを用いて6mol%のイットリアを添加したジルコニア粉、バインダー及び溶剤を混練し、ドクターブレード法により厚さ0.25 mmのグリーンシートとした。得られたグリーンシートを5×5mmのサイズに切断し、その上にリード導体用にPt含有ペーストをスクリーン印刷した。
Example 1
A nitrogen oxide sensor having the structure shown in FIG. 1 was produced as follows.
(1) Green sheet for solid electrolyte body 1 Using a ball mill, zirconia powder to which 6 mol% of yttria was added, a binder and a solvent were kneaded to obtain a green sheet having a thickness of 0.25 mm by a doctor blade method. The obtained green sheet was cut into a size of 5 × 5 mm, and a Pt-containing paste was screen-printed thereon for the lead conductor.

(2) 検知電極用ペーストの印刷
NiO試薬粉末をボールミルによって粉砕した後、分級して0.1〜1μmの径にした。得られた粉末をメノウ乳鉢に入れ、バインダー及び溶剤を加えて混練し、NiO含有ペーストを得た。NiO含有ペーストを3×3mmのパターンサイズでグリーンシートにスクリーン印刷した。
(2) Printing detection electrode paste
The NiO reagent powder was pulverized by a ball mill and then classified to a diameter of 0.1 to 1 μm. The obtained powder was put into an agate mortar, and a binder and a solvent were added and kneaded to obtain a NiO-containing paste. NiO-containing paste was screen printed on a green sheet with a pattern size of 3 × 3 mm.

(3) 参照電極ペーストの印刷
白金粉末と、白金粉末に対して8mol%のイットリア安定化ジルコニア粉末と、バインダー及び溶剤をメノウ乳鉢に入れて混練し、白金含有ペーストとした。この白金含有ペーストを3×3mmのパターンサイズでグリーンシートにスクリーン印刷した。
(3) Printing of Reference Electrode Paste Platinum powder, 8 mol% yttria-stabilized zirconia powder, binder and solvent with respect to the platinum powder were kneaded in an agate mortar to obtain a platinum-containing paste. This platinum-containing paste was screen-printed on a green sheet with a pattern size of 3 × 3 mm.

(4) 焼成
検知電極2、参照電極3及びリード導体用のペーストを印刷したグリーンシートを大気中、500℃で2時間脱脂した後、大気中、1400℃で3時間焼成した。得られた焼成体のリード導体にPtワイヤを溶接し、評価サンプルとした。
(4) Firing The green sheet on which the detection electrode 2, the reference electrode 3 and the lead conductor paste were printed was degreased at 500 ° C. for 2 hours in the air, and then fired at 1400 ° C. for 3 hours in the air. A Pt wire was welded to the lead conductor of the fired body to obtain an evaluation sample.

(5) NiO粒子の平均結晶粒径の測定
検知電極2を構成するNiO粒子の平均結晶粒径を調べるため、検知電極2の表面及び断面の走査電子顕微鏡(SEM)観察を行った。窒素酸化物センサの検知電極2のSEM写真と、平均結晶粒径Rを図6に示す。なお検知電極2の厚さを測定したところ、約8μmであった。
(5) Measurement of average crystal grain size of NiO particles In order to investigate the average crystal grain size of NiO particles constituting the detection electrode 2, scanning electron microscope (SEM) observation of the surface and cross section of the detection electrode 2 was performed. An SEM photograph of the sensing electrode 2 of the nitrogen oxide sensor and the average crystal grain size R are shown in FIG. The thickness of the detection electrode 2 was measured and found to be about 8 μm.

(6) 複素インピーダンス計測
窒素酸化物センサを石英管の中にセットした。石英管を電気炉に入れ、電気炉内を800℃、5体積%の酸素濃度に保持して、電極界面インピーダンス(複素インピーダンス)計測を行った。計測結果を表1に示す。
(6) Complex impedance measurement A nitrogen oxide sensor was set in a quartz tube. The quartz tube was placed in an electric furnace, and the inside of the electric furnace was maintained at 800 ° C. and an oxygen concentration of 5% by volume, and electrode interface impedance (complex impedance) was measured. Table 1 shows the measurement results.

実施例2及び3、比較例1
平均粒径が表1のとおりとなるようにNiO粒子を調製した以外実施例1と同様にして、窒素酸化物センサを作製し、複素インピーダンス計測を行った。計測結果を表1に併せて示す。
Examples 2 and 3, Comparative Example 1
A nitrogen oxide sensor was prepared and complex impedance measurement was performed in the same manner as in Example 1 except that NiO particles were prepared so that the average particle diameter was as shown in Table 1. The measurement results are also shown in Table 1.

小さな平均結晶粒径のNiO粒子からなる検知電極2を有する窒素酸化物センサほど、電極界面インピーダンスは小さかった。この理由はNiO粒子の平均結晶粒径が小さいほど、多くの電極反応サイトを有するためであると考えられる。   The nitrogen oxide sensor having the sensing electrode 2 made of NiO particles having a smaller average crystal grain size has a smaller electrode interface impedance. This is probably because the smaller the average crystal grain size of NiO particles, the more electrode reaction sites.

実施例4〜8、比較例2〜4
表2に示すように、検知電極を構成するNiO粒子の平均結晶粒径が0.2μm、0.5μm、1μm、1.5μm及び2.5μmとなるようにし、検知電極の厚さを2μm、4μm及び8μmとした以外、実施例1の(1) 〜(4) と同様にして、窒素酸化物センサを作製した。各窒素酸化物センサのt/R値、実施例No.又は比較例No.を表2に示す。
Examples 4-8, Comparative Examples 2-4
As shown in Table 2, the average crystal grain size of NiO particles constituting the detection electrode is 0.2 μm, 0.5 μm, 1 μm, 1.5 μm and 2.5 μm, and the thickness of the detection electrode is 2 μm, 4 μm and 8 μm. A nitrogen oxide sensor was produced in the same manner as in (1) to (4) of Example 1 except that. Table 2 shows t / R binary values, Example No. or Comparative Example No. of each nitrogen oxide sensor.

* −:作製せず。 * −: Not prepared.

電気炉に保持した石英管の中に各センサをセットし、電気炉内を5体積%酸素、200 ppmのNO濃度の雰囲気にし、700、800℃、又は900℃に保持してセンサ出力を測定した。各作動温度における200 ppmのNOに対する感度を表3〜5に示す。 Each sensor is set in a quartz tube held in an electric furnace, the inside of the electric furnace is made into an atmosphere of 5 vol% oxygen and 200 ppm NO 2 concentration, and the sensor output is maintained at 700, 800 ° C or 900 ° C. It was measured. The sensitivity to 200 ppm NO 2 at each operating temperature is shown in Tables 3-5.

* :サンプルなし。 *: No sample.

* :サンプルなし。 *: No sample.

* :サンプルなし。
**:測定せず。
*: No sample.
**: Not measured.

検知電極の厚さ(膜厚t)と、検知電極を構成するNiO粒子の平均結晶粒径Rとからt/Rを求め、各センサのt/R値と、各作動温度における200 ppmのNOに対する感度の関係について検討した。200 ppmのNOに対して10 mV以上の感度を示せば、実用に耐えうる良好な感度であると言えるのに対し、t/R値が30以下の試料は、作動温度700℃において良好な感度を示した。t/R値が10以下の試料は、いずれの作動温度(700℃、800℃及び900℃)においても、t/R値が10超の試料より高いセンサ感度を示し、作動温度800℃においても、10 mV以上の良好な感度を示した。t/R値が5以下の試料は、いずれの作動温度においても、その他の試料より高いセンサ感度を示し、作動温度900℃でも十分使用可能であると考えられた。 Find t / R 2 from the thickness (thickness t) of the sensing electrode and the average crystal grain size R of the NiO particles that make up the sensing electrode. The t / R 2 value of each sensor and 200 ppm at each operating temperature The relationship of sensitivity to NO 2 was examined. If it shows a sensitivity of 10 mV or more for 200 ppm NO 2 , it can be said that it is a good sensitivity that can withstand practical use, whereas a sample with a t / R 2 value of 30 or less is good at an operating temperature of 700 ° C. Showed high sensitivity. Samples with a t / R 2 value of 10 or less show higher sensor sensitivity than samples with a t / R 2 value greater than 10 at any operating temperature (700 ° C, 800 ° C and 900 ° C), and the operating temperature is 800 ° C. Also, the sensitivity was 10 mV or more. Samples with a t / R 2 value of 5 or less showed higher sensor sensitivity than other samples at any operating temperature, and were considered to be sufficiently usable even at an operating temperature of 900 ° C.

実施例9〜11
実施例1(1) と同様にして固体電解質体用のグリーンシートを作製し、これにリード導体用のペーストを印刷した。
Examples 9-11
A green sheet for a solid electrolyte body was produced in the same manner as in Example 1 (1), and a lead conductor paste was printed thereon.

NiO試薬粉末をボールミルによって粉砕した後、分級して平均径を約0.5μmにした。NiO粉末と、その1質量%、5質量%及び10 質量%のテオブロミンをメノウ乳鉢に入れ、バインダー及び溶剤を加えて混練し、ペースト状にした。得られたNiO及びテオブロミンを含有するペーストをグリーンシートにスクリーン印刷した。パターンサイズは3×3 mmとした。   The NiO reagent powder was pulverized by a ball mill and then classified to an average diameter of about 0.5 μm. NiO powder and 1% by mass, 5% by mass and 10% by mass of theobromine were put in an agate mortar, kneaded with a binder and a solvent, and made into a paste. The obtained paste containing NiO and theobromine was screen-printed on a green sheet. The pattern size was 3 × 3 mm.

実施例1(3) 〜(5) と同様にして、グリーンシート上に参照電極用のペーストを印刷した、脱脂及び焼結した。   In the same manner as in Examples 1 (3) to (5), a paste for a reference electrode was printed on a green sheet, and degreased and sintered.

得られた窒素酸化物センサを電気炉に保持した石英管の中にセットし、電気炉内を800℃、5体積%の酸素、200 ppmのNO濃度雰囲気に保持して、センサ出力を測定した。測定結果を表6に示す。なお、各センサの検知電極2の厚さtは約8μmであり、検知電極を構成するNiO粒子の平均結晶粒径Rは約1μmであった。なお比較のために、昇華材を添加しないで作製した検知電極2を用いた実施例1の感度等を併せて示す。 The obtained nitrogen oxide sensor is set in a quartz tube held in an electric furnace, and the inside of the electric furnace is held at 800 ° C, 5 vol% oxygen, 200 ppm NO 2 concentration atmosphere, and the sensor output is measured. did. Table 6 shows the measurement results. The thickness t of the detection electrode 2 of each sensor was about 8 μm, and the average crystal grain size R of NiO particles constituting the detection electrode was about 1 μm. For comparison, the sensitivity and the like of Example 1 using the detection electrode 2 produced without adding a sublimation material are also shown.

多孔度5〜30体積%の範囲においては、大きな多孔度の検知電極2を有する窒素酸化物センサほど、大きなセンサ出力を示すことが分かった。   It was found that a nitrogen oxide sensor having a sensing electrode 2 with a large porosity shows a larger sensor output in the range of porosity of 5 to 30% by volume.

実施例12〜15
検知電極を構成するNiO粒子の平均結晶粒径及び検知電極の厚さ以外実施例1の(1) 〜(4) と同様にして、窒素酸化物センサを作製した(実施例12)。また検知電極2用のペーストにNiO粒子の代わりに、SnO粒子、FeO粒子及びTiO粒子を配合し、t/R値を下記表7のとおりとした以外実施例1の(1) 〜(4) と同様にして、窒素酸化物センサを作製した(実施例13〜15)。
Examples 12-15
A nitrogen oxide sensor was produced in the same manner as in (1) to (4) of Example 1 except for the average crystal grain size of NiO particles constituting the sensing electrode and the thickness of the sensing electrode (Example 12). Further, SnO 2 particles, Fe 2 O 3 particles and TiO 2 particles are blended in the paste for the sensing electrode 2 instead of NiO particles, and the t / R 2 value is as shown in Table 7 below. Nitrogen oxide sensors were produced in the same manner as 1) to (4) (Examples 13 to 15).

電気炉に保持した石英管の中に各センサをセットし、電気炉内を800℃、5体積%の酸素、200 ppmのNO濃度雰囲気に保持して、センサ出力を測定した。実施例12の窒素酸化物センサ(NiO粒子からなる検知電極を有する窒素酸化物センサ)には及ばないものの、SnO粒子、FeO粒子及びTiO粒子からなる検知電極2を有する窒素酸化物センサも16 mV以上の感度を示し、良好な出力が得られた。 Each sensor was set in a quartz tube held in an electric furnace, and the inside of the electric furnace was kept at 800 ° C., 5 vol% oxygen, and 200 ppm NO 2 concentration atmosphere, and the sensor output was measured. Nitrogen oxidation having sensing electrode 2 composed of SnO 2 particles, Fe 2 O 3 particles, and TiO 2 particles, although not as good as the nitrogen oxide sensor of Example 12 (nitrogen oxide sensor having a sensing electrode composed of NiO particles). The object sensor also showed a sensitivity of 16 mV or higher, and a good output was obtained.

実施例16〜18
検知電極2用のペーストにNiO粒子の代わりに、GaO粒子、CrO粒子及びZnO粒子を配合し、t/R値を下記表8のとおりとした以外実施例1の(1) 〜(4) と同様にして窒素酸化物センサを作製した。
Examples 16-18
Instead of NiO particles, paste for the sensing electrode 2 was mixed with Ga 2 O 3 particles, Cr 2 O 3 particles and ZnO particles, and the t / R 2 value was as shown in Table 8 below. 1) A nitrogen oxide sensor was fabricated in the same manner as in (4).

電気炉に保持した石英管の中に各センサをセットし、電気炉内を700℃、5体積%の酸素、200 ppmのNO濃度雰囲気に保持して、センサ出力を測定した。測定結果を表8に示す。なお各センサのt/R値は、それぞれ3.4〜3.8であった。実施例12の窒素酸化物センサ(NiO粒子からなる検知電極を有する窒素酸化物センサ)には及ばないものの、GaO粒子、CrO粒子及びZnO粒子からなる検知電極2を有する窒素酸化物センサも15 mV以上の感度を示し、良好な出力が得られた。 Each sensor was set in a quartz tube held in an electric furnace, and the inside of the electric furnace was held at 700 ° C., 5 vol% oxygen, and 200 ppm NO 2 concentration atmosphere, and the sensor output was measured. Table 8 shows the measurement results. In addition, t / R 2 value of each sensor was 3.4-3.8, respectively. Nitrogen having a sensing electrode 2 composed of Ga 2 O 3 particles, Cr 2 O 3 particles and ZnO particles, although not exceeding the nitrogen oxide sensor of Example 12 (nitrogen oxide sensor having a sensing electrode composed of NiO particles). The oxide sensor also showed a sensitivity of 15 mV or higher, and a good output was obtained.

実施例19
(1) グリーンシート
図5に示す構造を有する窒素酸化物センサを、次に示すように作製した。実施例1(1) と同様にしてイットリア添加のジルコニア粉を出発原料として、ドクターブレード法により厚さ0.25 mmのグリーンシートとした。得られたグリーンシートを5×50 mmのサイズに4枚切り取った。またスペーサ用のグリーンシートも切り取った。
Example 19
(1) Green sheet A nitrogen oxide sensor having the structure shown in FIG. 5 was produced as follows. In the same manner as in Example 1 (1), yttria-added zirconia powder was used as a starting material to obtain a green sheet having a thickness of 0.25 mm by the doctor blade method. Four green sheets obtained were cut to a size of 5 × 50 mm. A green sheet for the spacer was also cut off.

(2) シートI
実施例19(1) で得られたグリーンシートのうちの一枚に、リード導体用Ptペーストをスクリーン印刷した。次いで実施例1(2)と同様にして、実施例19(1) で得られたグリーンシートIに、検知電極2用のNiO含有ペーストを印刷した。また実施例1(3) と同様にして、参照電極3用の白金含有ペーストを印刷した。
(2) Seat I
A lead conductor Pt paste was screen-printed on one of the green sheets obtained in Example 19 (1). Subsequently, a NiO-containing paste for the detection electrode 2 was printed on the green sheet I obtained in Example 19 (1) in the same manner as in Example 1 (2). Further, a platinum-containing paste for the reference electrode 3 was printed in the same manner as in Example 1 (3).

(3) シートII
別のグリーンシートにアルミナ粉末を含有するペーストを印刷した後、抵抗体4を形成する部分に白金ペーストを重ね印刷し、シートIIを得た。
(3) Sheet II
After a paste containing alumina powder was printed on another green sheet, a platinum paste was overprinted on a portion where the resistor 4 was to be formed to obtain a sheet II.

(4) シートIII
さらに別のグリーンシートに熱電対正脚61用に65%Au−35%Pd合金を含有するペースト、熱電対負脚62用にPtを含有するペーストを印刷した。このグリーンシートの裏面の抵抗体4に接する部分には、アルミナ粉末を含有するペーストを印刷した。
(4) Sheet III
Furthermore, a paste containing 65% Au-35% Pd alloy for the thermocouple positive leg 61 and a paste containing Pt for the thermocouple negative leg 62 were printed on another green sheet. A paste containing alumina powder was printed on the portion of the back surface of the green sheet that was in contact with the resistor 4.

(5) 焼成及び組立て
シートII、シートIII、未印刷のグリーンシート、スペーサ及びシートIを治具にセットし、80℃の温水に入れて加圧した。得られた積層体を大気中、500℃で2時間脱脂した後、1400℃の大気中で3時間焼成した。得られた焼成体のリード導体にPtワイヤを溶接し、感度評価治具に取り付けて評価サンプルとした。その際、ダクト12が大気に曝されるように治具立てした。
(5) Firing and assembly Sheet II, sheet III, an unprinted green sheet, a spacer, and sheet I were set in a jig, and placed in 80 ° C. warm water and pressurized. The obtained laminate was degreased in the atmosphere at 500 ° C. for 2 hours and then baked in the atmosphere at 1400 ° C. for 3 hours. A Pt wire was welded to the lead conductor of the obtained fired body and attached to a sensitivity evaluation jig to obtain an evaluation sample. At that time, a jig was erected so that the duct 12 was exposed to the atmosphere.

(6) センサ感度の測定
熱電対6を熱電対出力の計測手段9に接続し、計測手段9からの出力を抵抗体4の印加電圧にフィードバックするように設定した。またリード導体に溶接したPtワイヤを電位差測定手段8に接続した。
(6) Measurement of sensor sensitivity The thermocouple 6 was connected to the thermocouple output measuring means 9, and the output from the measuring means 9 was set to be fed back to the applied voltage of the resistor 4. A Pt wire welded to the lead conductor was connected to the potential difference measuring means 8.

評価サンプルを5体積%の酸素、200 ppmのNO濃度雰囲気中に入れ、熱電対6の出力を抵抗体4の印加電圧にフィードバックしてセンサ作動温度を800℃に保持した。評価サンプルのセンサ感度を測定したところ、27 mVであった。なおこの窒素酸化物センサの検知電極の厚さは8μm、平均結晶粒径は1.5μmであり、t/Rは3.56であった。ダクト12が大気に曝されている場合も、窒素酸化物センサを電気炉内にセットした場合と同程度のセンサ感度を示した(表4、実施例2参照)。 The evaluation sample was placed in an atmosphere containing 5% by volume of oxygen and 200 ppm of NO 2 , and the sensor operating temperature was maintained at 800 ° C. by feeding back the output of the thermocouple 6 to the applied voltage of the resistor 4. The sensor sensitivity of the evaluation sample was measured and found to be 27 mV. The thickness of the detection electrode of this nitrogen oxide sensor was 8 μm, the average crystal grain size was 1.5 μm, and t / R 2 was 3.56. Even when the duct 12 was exposed to the atmosphere, the sensor sensitivity was comparable to that when the nitrogen oxide sensor was set in an electric furnace (see Table 4, Example 2).

本発明の窒素酸化物センサの一例を示す断面図である。It is sectional drawing which shows an example of the nitrogen oxide sensor of this invention. 本発明の窒素酸化物センサの別の例を示す断面図である。It is sectional drawing which shows another example of the nitrogen oxide sensor of this invention. 本発明の窒素酸化物センサのさらに別の例を示す断面図である。It is sectional drawing which shows another example of the nitrogen oxide sensor of this invention. 本発明の窒素酸化物センサのさらに別の例を示し、(a) は断面図であり、(b) は上面図である。FIG. 3 shows still another example of the nitrogen oxide sensor of the present invention, where (a) is a cross-sectional view and (b) is a top view. 本発明の窒素酸化物センサのさらに別の例を示し、(a) は断面図であり、(b) は上面図である。FIG. 3 shows still another example of the nitrogen oxide sensor of the present invention, where (a) is a cross-sectional view and (b) is a top view. 検知電極の表面及び断面の写真と、検知電極の主成分である酸化物粒子の平均結晶粒径を示す図である。It is a figure which shows the average crystal grain diameter of the oxide particle | grains which are the photograph of the surface and cross section of a detection electrode, and the main component of a detection electrode.

符号の説明Explanation of symbols

1・・・固体電解質体
2・・・検知電極
3・・・参照電極
4・・・抵抗体
5・・・抵抗体基板
6・・・熱電対
61・・・熱電対正脚
62・・・熱電対負脚
8・・・検知電極と参照電極の間の電位差を測定する手段
9・・・熱電対出力を計測する手段
10・・・スペーサ
11・・・大気ダクト形成体
12・・・大気ダクト


DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Solid electrolyte body 2 ... Detection electrode 3 ... Reference electrode 4 ... Resistor 5 ... Resistor board 6 ... Thermocouple
61 ... Thermocouple leg
62 ... Thermocouple negative leg 8 ... Means for measuring potential difference between detection electrode and reference electrode 9 ... Means for measuring thermocouple output
10 ... Spacer
11 ... Atmosphere duct formation
12 ... Air duct


Claims (2)

酸素イオン伝導性の固体電解質体と、前記固体電解質体に形成された検知電極と、参照電極と、前記検知電極及び前記参照電極の間の電位差によって窒素酸化物濃度を検知する手段と、前記固体電解質体、前記検知電極及び前記参照電極を加熱する手段とを具備する窒素酸化物センサであって、前記検知電極の主たる構成物質が酸化ニッケル、酸化すず、酸化鉄、酸化チタン、酸化ガリウム、酸化クロム及び酸化亜鉛からなる群より選ばれた少なくとも一種の酸化物であり、前記検知電極の平均厚さtと、前記検知電極を構成する粒子の平均結晶粒径Rの二乗との比t/Rが30以下であることを特徴とする窒素酸化物センサ。 An oxygen ion conductive solid electrolyte body, a detection electrode formed on the solid electrolyte body, a reference electrode, means for detecting a nitrogen oxide concentration by a potential difference between the detection electrode and the reference electrode, and the solid A nitrogen oxide sensor comprising an electrolyte body, a means for heating the detection electrode and the reference electrode, wherein the main constituent material of the detection electrode is nickel oxide, tin oxide, iron oxide, titanium oxide, gallium oxide, oxide It is at least one oxide selected from the group consisting of chromium and zinc oxide, and the ratio t / R of the average thickness t of the detection electrode and the square of the average crystal grain size R of the particles constituting the detection electrode A nitrogen oxide sensor, wherein 2 is 30 or less. 請求項1に記載の窒素酸化物センサにおいて、前記検知電極の多孔度が5〜30体積%であることを特徴とする窒素酸化物センサ。
The nitrogen oxide sensor according to claim 1, wherein the detection electrode has a porosity of 5 to 30% by volume.
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