JP2008224637A - Gas sensor and its manufacturing method - Google Patents

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Ryoko Kanda
良子 神田
Yukihiro Ota
進啓 太田
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a gas sensor having high measuring sensitivity, excellent stability with time, and high responsiveness. <P>SOLUTION: A reference electrode 4 is formed on a part of the surface of a base material 1, and a solid electrolyte thin film 2 is formed on a surface part including a part of the base material 1 surface where the reference electrode 4 is not formed between the part of the base material 1 surface where the reference electrode 4 is not formed and the reference electrode 4 surface, and a detection electrode 3 is formed at least on a part of the solid electrolyte thin film 2 surface, and a distance between the detection electrode 3 and the reference electrode 4 in a parallel direction to the base material 1 surface is set to 0-500 μm. <P>COPYRIGHT: (C)2008,JPO&INPIT

Description

この発明は、炭酸ガス、窒素酸化物ガス、硫黄酸化物ガス等の高精度検知、及び経時的劣化の抑制されたガスセンサに関するものである。   The present invention relates to a gas sensor in which carbon dioxide gas, nitrogen oxide gas, sulfur oxide gas and the like are detected with high accuracy and deterioration with time is suppressed.

固体電解質を使用した炭酸ガスセンサでは、検知極(作用極)/固体電解質/基準極(参照極)の構成をとり、両極間に発生する起電力を計測する平衡電位型が提案されており、各構成の材質が種々検討されている。固体電解質としては、ナトリウムイオン伝導体のNASICON(NaZrSiPO12)、及びNa−β−Al、酸素イオン伝導体のYSZ(Y添加ZrO)、フッ素イオン伝導体のPbSnO、LaFの使用が開示されている。これらの固体電解質は、通常は、緻密焼結体、もしくは単結晶が使用されている(非特許文献1参照)。
また、基準極に関しては、一般的には、金、白金等の貴金属メッシュ、もしくはペーストが使用される。
Carbon dioxide sensors using solid electrolytes have a configuration of sensing electrode (working electrode) / solid electrolyte / reference electrode (reference electrode), and an equilibrium potential type that measures the electromotive force generated between both electrodes has been proposed. Various materials for the construction have been studied. Examples of solid electrolytes include sodium ion conductor NASICON (Na 3 Zr 2 Si 2 PO 12 ) and Na-β-Al 2 O 3 , oxygen ion conductor YSZ (Y 2 O 3 -added ZrO 2 ), and fluorine ions. The use of the conductors PbSnO 4 , LaF 3 is disclosed. As these solid electrolytes, a dense sintered body or a single crystal is usually used (see Non-Patent Document 1).
As for the reference electrode, generally, a noble metal mesh such as gold or platinum, or a paste is used.

また、固体電解質層を薄膜とする試みも成されており、この薄膜型のセンサとしては、緻密なガス非透過性セラミック基板上に、参照電極層、固体電解質薄膜層、検知電極層、検知材層、の順で積層させる構造の炭酸ガスセンサが開示されている。ここで、基準電極には白金、パラジウム、ロジウム、ルテニウム、イリジウム、金、銀等の貴金属の膜が供されている。また、固体電解質には酸素イオン伝導体が使用され、検知材にはアルカリ金属炭酸塩とアルカリ土類金属炭酸塩との混合物が使用されている(特許文献1参照)。   In addition, attempts have been made to make the solid electrolyte layer a thin film. As this thin film type sensor, a reference electrode layer, a solid electrolyte thin film layer, a detection electrode layer, a detection material are formed on a dense gas non-permeable ceramic substrate. A carbon dioxide sensor having a structure in which layers are stacked in this order is disclosed. Here, the reference electrode is provided with a film of a noble metal such as platinum, palladium, rhodium, ruthenium, iridium, gold or silver. Further, an oxygen ion conductor is used for the solid electrolyte, and a mixture of alkali metal carbonate and alkaline earth metal carbonate is used for the detection material (see Patent Document 1).

さらに、作用電極(検知電極)の構成に関しても検討がなされている。すなわち、電子電導物質の混合割合により2層を設け、固体電解質解離平衡を有する金属塩と電子電導物質との混合割合を0.5〜14容量%とし、その厚みを20μm以下とする技術が開示されている(特許文献2参照)。   Furthermore, studies are also made on the configuration of the working electrode (detection electrode). That is, a technique is disclosed in which two layers are provided depending on the mixing ratio of the electron conductive material, the mixing ratio of the metal salt having a solid electrolyte dissociation equilibrium and the electron conductive material is 0.5 to 14% by volume, and the thickness is 20 μm or less. (See Patent Document 2).

特公平7−85071号公報Japanese Patent Publication No. 7-85071 特許第3256618号公報Japanese Patent No. 3256618 材料開発における結晶格子欠陥とその応用(編著者;山村博・岩原弘育、発行所;株式会社 アイピーシー、2002年発刊)、pp.314〜328Crystal lattice defects and their application in material development (editors: Hiroshi Yamamura, Hironobu Iwahara, publisher; IPC, published in 2002), pp. 314-328

しかし、上記の各センサにおいて、検知極(作用極、作用電極、検知電極層)と参照極(基準極、参照電極層)とは、固体電解質からなる層を介して、積層されている。このため、固体電解質にピンホールが生じると、検知極と参照極とが微小短絡することとなり、正確な測定が困難となるという問題点を有する。   However, in each of the above sensors, the detection electrode (working electrode, working electrode, detection electrode layer) and the reference electrode (reference electrode, reference electrode layer) are stacked via a layer made of a solid electrolyte. For this reason, if a pinhole is generated in the solid electrolyte, the detection electrode and the reference electrode are slightly short-circuited, resulting in a problem that accurate measurement becomes difficult.

そこでこの発明は、高測定感度を有し、かつ、経時的安定性に優れ、応答性の高いガスセンサを得ることを目的とする。   Accordingly, an object of the present invention is to obtain a gas sensor having high measurement sensitivity, excellent stability over time, and high responsiveness.

この発明は、基材の表面の一部に参照極を形成し、上記参照極を形成しない上記基材表面の部分及び上記参照極表面のうち、上記参照極を形成しない上記基材表面の部分を含む表面部に、固体電解質薄膜を形成し、上記固体電解質薄膜表面の少なくとも一部に検知極を形成し、上記基材の表面と平行方向における、上記検知極と上記参照極との距離を0μm以上500μm以下とすることにより、上記課題を解決したのである。   In the present invention, a reference electrode is formed on a part of the surface of the substrate, and the portion of the substrate surface that does not form the reference electrode and the portion of the substrate surface that does not form the reference electrode among the reference electrode surface A solid electrolyte thin film is formed on the surface portion including, a detection electrode is formed on at least a part of the surface of the solid electrolyte thin film, and a distance between the detection electrode and the reference electrode in a direction parallel to the surface of the substrate By setting the thickness to 0 μm or more and 500 μm or less, the above-described problem has been solved.

上記の固体電解質としては、酸化セリウムを主成分とする酸素イオン伝導体、又は酸化ジルコニウムを主成分とする酸素イオン伝導体を用いることができる。また、上記の検知極としては、リチウムと、検知対象のガス種の化合物とが反応して生成するリチウム化合物を主成分とする検知物質、及び電子伝導性金属を用いることができる。さらに、上記参照極としては、白金、パラジウム、ロジウム、ルテニウム、及びイリジウムよりなる群から選定される金属を用いることができる。   As the solid electrolyte, an oxygen ion conductor mainly composed of cerium oxide or an oxygen ion conductor mainly composed of zirconium oxide can be used. Further, as the detection electrode, a detection substance mainly composed of a lithium compound generated by a reaction between lithium and a gas species compound to be detected, and an electron conductive metal can be used. Furthermore, as the reference electrode, a metal selected from the group consisting of platinum, palladium, rhodium, ruthenium, and iridium can be used.

この発明にかかるセンサは、基材表面と平行方向における、参照極と検知極との距離が0μm以上である、すなわち、参照極と検知極とが固体電解質薄膜を介して、対向せず、かつ、両者の直線距離をより短く設定することができる。このため、固体電解質にできるピンホールによって、参照極と検知極との微小短絡を防止でき、かつ、両者間の伝導度を上げることができる。これにより、得られるガスセンサは、高測定感度を有し、かつ、経時安定性に優れ、応答性の高いものとなる。   In the sensor according to the present invention, the distance between the reference electrode and the detection electrode in the direction parallel to the substrate surface is 0 μm or more, that is, the reference electrode and the detection electrode are not opposed to each other through the solid electrolyte thin film, and The linear distance between the two can be set shorter. For this reason, the pinhole which can be made into a solid electrolyte can prevent a micro short circuit with a reference pole and a detection pole, and can raise the conductivity between both. Thereby, the obtained gas sensor has high measurement sensitivity, is excellent in stability with time, and has high responsiveness.

以下、この発明をより詳細に説明する。
この発明にかかるガスセンサは、図1(a)に示すように、基材1、固体電解質薄膜2、検知極3及び参照極4を有するセンサである。
Hereinafter, the present invention will be described in more detail.
The gas sensor according to the present invention is a sensor having a substrate 1, a solid electrolyte thin film 2, a detection electrode 3 and a reference electrode 4, as shown in FIG.

[ガスセンサの構成]
このガスセンサは、まず、図1(a)に示すように、基材1の表面の一部に参照極4が形成される。また、この参照極4を形成しない上記基材1の表面部分、及び上記参照極4の表面のうち、上記参照極4を形成しない基材1の表面部分を含む表面部に、固体電解質薄膜2が形成される。すなわち、固定電解質薄膜2は、基材1上に直接形成され、かつ、必要に応じて、上記基材1上に形成された参照極4上にも形成される。後述するように、基材1の表面と平行方向における検知極3と参照極4との距離(図1(a)(b)を含め、以下、「D」と略記する場合がある。)が0μm以上(D≧0)であるので、参照極4表面上に形成された固体電解質薄膜2の表面に、検知極3が形成されることはない。しかし、基材1の表面と平行方向における検知極3と参照極4との距離が0μm以上ということは、図1(b)に示すように、検知極3の一方の端面と参照極の一方の端面とが同一平面上に形成される場合(D=0)を含む。このD=0の場合、この参照極4の上記一方の端面を含む部分の表面にも固体電解質薄膜2を形成する方が、検知極3を形成し易くなり、好ましい。
[Configuration of gas sensor]
In this gas sensor, first, a reference electrode 4 is formed on a part of the surface of the substrate 1 as shown in FIG. The solid electrolyte thin film 2 is formed on the surface portion of the base material 1 that does not form the reference electrode 4 and the surface portion of the surface of the reference electrode 4 that includes the surface portion of the base material 1 that does not form the reference electrode 4. Is formed. That is, the fixed electrolyte thin film 2 is directly formed on the base material 1 and is also formed on the reference electrode 4 formed on the base material 1 as necessary. As will be described later, the distance between the detection electrode 3 and the reference electrode 4 in the direction parallel to the surface of the substrate 1 (hereinafter, may be abbreviated as “D” in some cases, including FIGS. 1A and 1B). Since it is 0 μm or more (D ≧ 0), the detection electrode 3 is not formed on the surface of the solid electrolyte thin film 2 formed on the surface of the reference electrode 4. However, the distance between the detection electrode 3 and the reference electrode 4 in the direction parallel to the surface of the substrate 1 is 0 μm or more, as shown in FIG. 1B, one end surface of the detection electrode 3 and one of the reference electrodes. Including the case where the end face of each other is formed on the same plane (D = 0). In the case of D = 0, it is preferable to form the solid electrolyte thin film 2 on the surface of the reference electrode 4 including the one end face because the detection electrode 3 is easily formed.

そして、上記固体電解質薄膜2表面の少なくとも一部に検知極3が形成される。この検知極3は、上記基材1の表面と平行方向における、検知極3と参照極4との距離(D)が、0μm以上500μm以下となるように設けられる。   A detection electrode 3 is formed on at least a part of the surface of the solid electrolyte thin film 2. The detection electrode 3 is provided such that the distance (D) between the detection electrode 3 and the reference electrode 4 in the direction parallel to the surface of the substrate 1 is 0 μm or more and 500 μm or less.

上記距離(D)が0μm以上なので、参照極4表面上に形成された固体電解質薄膜2の表面に、検知極3が形成されることはない。このため、この固体電解質薄膜2にたとえピンホールが存在しても、検知極3と参照極4とが微小短絡することを防止できる。一方、上記距離の上限は500μmであり、100μm以下が好ましい。500μmより大きいと、検知極3と参照極4との距離が長くなり伝導度の低下が大きくなるため、好ましくない。   Since the distance (D) is 0 μm or more, the detection electrode 3 is not formed on the surface of the solid electrolyte thin film 2 formed on the surface of the reference electrode 4. For this reason, even if a pinhole exists in the solid electrolyte thin film 2, it is possible to prevent the detection electrode 3 and the reference electrode 4 from being short-circuited. On the other hand, the upper limit of the distance is 500 μm, preferably 100 μm or less. If it is larger than 500 μm, the distance between the detection electrode 3 and the reference electrode 4 becomes long and the decrease in conductivity becomes large, which is not preferable.

このガスセンサは、固体電解質を基本とする平衡電位検出型のガスセンサであるので、一般に、感度が高く、ガス選択性が高い。   Since this gas sensor is an equilibrium potential detection type gas sensor based on a solid electrolyte, generally, it has high sensitivity and high gas selectivity.

[基材]
上記基材1は、上記の固体電解質薄膜2、検知極3、参照極4及びヒーター5を設けるための材であり、石英ガラス、サファイア、チタン酸ストロンチウム、窒化アルミニウム、窒化ケイ素、酸化マグネシウム等を使用することができる。この基材は、上記の固体電解質薄膜2、検知極3、参照極4等を載せることができれば、5mm角×0.5mm厚程度の微小なものとすることができ、これにより、昇温に要する熱量、時間を大幅に低減することができる。
[Base material]
The base material 1 is a material for providing the solid electrolyte thin film 2, the detection electrode 3, the reference electrode 4, and the heater 5, and includes quartz glass, sapphire, strontium titanate, aluminum nitride, silicon nitride, magnesium oxide, and the like. Can be used. If the solid electrolyte thin film 2, the detection electrode 3, the reference electrode 4, and the like can be placed on the base material, the base material can be as small as about 5 mm square × 0.5 mm thickness. The amount of heat and time required can be greatly reduced.

[固体電解質薄膜]
上記固体電解質薄膜2は、固体電解質からなる薄膜をいう。この固体電解質としては、酸化ジルコニウムや酸化セリウム等を主成分とする酸素イオン伝導体をいう。上記酸化ジルコニウムを主成分とする固体電解質としては、酸化ジルコニウムに酸化カルシウム等のアルカリ土類金属酸化物や酸化イットリウム等を添加した安定化ジルコニア等があげられる。また、酸化セリウムを主成分とする固体電解質としては、酸化ガドリニウムや酸化カルシウムなどを添加したものがあげられる。
[Solid electrolyte thin film]
The solid electrolyte thin film 2 refers to a thin film made of a solid electrolyte. The solid electrolyte is an oxygen ion conductor mainly composed of zirconium oxide, cerium oxide, or the like. Examples of the solid electrolyte mainly composed of zirconium oxide include stabilized zirconia in which an alkaline earth metal oxide such as calcium oxide or yttrium oxide is added to zirconium oxide. Examples of the solid electrolyte mainly composed of cerium oxide include those added with gadolinium oxide or calcium oxide.

固体電解質薄膜2は薄膜状に形成されるが、この固体電解質薄膜の厚さにより、後述する検知物質のリチウム化合物と固体電解質薄膜が反応して形成されるイオン交換層の厚さを制御する。例えば、酸化ジルコニウム焼結体を主成分とする固体電解質に、リチウム化合物として炭酸リチウムを焼き付けて検知極とする炭酸ガスセンサの場合は、酸化ジルコニウムと炭酸リチウムとの界面に、LiZrOからなるイオンブリッジ層(イオン交換層)が形成されることが推定される。このイオン交換層では、炭酸リチウムから供給されるLiイオンと酸化ジルコニウムから供給されるO2−イオンの両方が伝導し、電荷の移動が起きることにより、炭酸ガスの検出が可能となる。従って、このイオン交換層の厚さの最適化、安定化がセンサ出力の経時的安定性に重要となる。 The solid electrolyte thin film 2 is formed in a thin film shape, and the thickness of the solid electrolyte thin film controls the thickness of an ion exchange layer formed by a reaction between a lithium compound as a detection substance described later and the solid electrolyte thin film. For example, in the case of a carbon dioxide gas sensor in which lithium carbonate as a lithium compound is baked on a solid electrolyte mainly composed of a zirconium oxide sintered body to form a detection electrode, Li 2 ZrO 3 is formed at the interface between zirconium oxide and lithium carbonate. It is estimated that an ion bridge layer (ion exchange layer) is formed. In this ion exchange layer, both Li + ions supplied from lithium carbonate and O 2− ions supplied from zirconium oxide are conducted, and charge transfer occurs, whereby carbon dioxide gas can be detected. Therefore, optimizing and stabilizing the thickness of the ion exchange layer is important for the temporal stability of the sensor output.

上記イオン交換層の厚さは、経時的に固体電解質薄膜の膜厚以上には増加しないため、センサ特性の経時的変化は抑えられることとなる。そして、薄膜であることによりリチウムの拡散が抑制されるため、膜面方向にはほとんどイオン交換層は成長しない。したがって、この固体電解質薄膜2の厚みを薄くすることにより、センサ特性の経時的変化、特に経時的劣化を抑制することができる。   Since the thickness of the ion exchange layer does not increase over the thickness of the solid electrolyte thin film over time, changes in sensor characteristics over time can be suppressed. And since the diffusion of lithium is suppressed by being a thin film, the ion exchange layer hardly grows in the film surface direction. Therefore, by reducing the thickness of the solid electrolyte thin film 2, it is possible to suppress changes in sensor characteristics over time, particularly deterioration over time.

このため、固体電解質薄膜2の膜厚は、0.1μm以上10μm以下が好ましい。固体電解質薄膜の膜面方向のイオン伝導となるため、0.1μm未満ではイオン伝導特性が低下して、応答性が悪くなる。一方、10μmを超えると、検知物質のリチウム化合物と固体電解質薄膜が反応して形成されるイオン交換層の厚さが厚くなり過ぎるため、検知感度が低下する。   For this reason, the film thickness of the solid electrolyte thin film 2 is preferably 0.1 μm or more and 10 μm or less. Since the ionic conduction is in the direction of the film surface of the solid electrolyte thin film, if it is less than 0.1 μm, the ionic conduction characteristics deteriorate and the responsiveness deteriorates. On the other hand, when the thickness exceeds 10 μm, the thickness of the ion exchange layer formed by the reaction between the lithium compound as the detection substance and the solid electrolyte thin film becomes too thick, so that the detection sensitivity decreases.

[参照極]
上記参照極4としては、白金、パラジウム、ロジウム、ルテニウム、イリジウム等から選ばれる金属を用いられる。この参照極4の形成状態は、膜状であっても良いが、特に限定されるものではない。
[Reference electrode]
As the reference electrode 4, a metal selected from platinum, palladium, rhodium, ruthenium, iridium and the like is used. The formation state of the reference electrode 4 may be a film shape, but is not particularly limited.

[検知極]
上記検知極3は、検知物質及び電子伝導性金属からなる極をいう。この検知物質には、リチウムを主成分とするリチウム化合物を主成分とする。このリチウム化合物は、検知するガス種により異なり、炭酸ガスの場合には炭酸リチウム、窒素酸化物ガスの場合には硝酸リチウムもしくは亜硝酸リチウム、イオウ酸化物ガスの場合には硫酸リチウムもしくは亜硫酸リチウムとなる。したがって、上記リチウム化合物は、金属リチウムと、検知対象のガス種の化合物とが反応して生成する化合物が用いられる。
[Detection pole]
The detection electrode 3 is an electrode made of a detection substance and an electron conductive metal. This detection substance contains a lithium compound containing lithium as a main component. This lithium compound varies depending on the type of gas to be detected. In the case of carbon dioxide, lithium carbonate, in the case of nitrogen oxide gas, lithium nitrate or lithium nitrite, in the case of sulfur oxide gas, lithium sulfate or lithium sulfite Become. Therefore, the lithium compound is a compound produced by reacting metallic lithium with a compound of the gas species to be detected.

上記検知物質には、上記リチウム化合物単独で用いてもよいが、ストロンチウム、バリウム、カルシウム等のアルカリ土類金属と検知するガス種の化合物(炭酸ガスの場合には炭酸塩、窒素酸化物ガスの場合には硝酸塩もしくは亜硝酸塩等の硝酸系化合物、イオウ酸化物ガスの場合には硫酸塩もしくは亜硫酸塩等の硫酸系化合物)と反応して生成する化合物を混合させることにより、耐湿性を増すことができる。   As the detection substance, the lithium compound may be used alone, but it is an alkaline earth metal such as strontium, barium, calcium, etc. and a gas type compound to be detected (in the case of carbon dioxide, carbonate or nitrogen oxide gas). Moisture resistance is increased by mixing compounds produced by reaction with nitrate compounds such as nitrate or nitrite in the case, and sulfate compounds such as sulfate or sulfite in the case of sulfur oxide gas. Can do.

さらに、上記検知物質には、リン酸リチウム(LiPO)、窒化ホスホリルリチウム(Li3+xPO4―y、0<x、y、z<1)、及びチタン酸リチウム(LiTi12)等のリンを含有する化合物の1種以上を混合させてもよい。これらの化合物を混合させることにより、リチウムイオン伝導性を向上させることができ、応答速度をより早くする事ができる。 Further, the detection substances include lithium phosphate (Li 3 PO 4 ), phosphoryl lithium nitride (Li 3 + x PO 4−y N z , 0 <x, y, z <1), and lithium titanate (Li 4 Ti One or more compounds containing phosphorus such as 5 O 12 ) may be mixed. By mixing these compounds, lithium ion conductivity can be improved and the response speed can be further increased.

上記の炭酸塩、硝酸系化合物、硫酸系化合物、リンを含有する化合物等は、それぞれ単独の化合物を用いてもよく、これらから選ばれる複数の化合物の化合物混合物を用いてもよい。   Each of the above carbonates, nitric compounds, sulfuric compounds, phosphorus-containing compounds, etc. may be a single compound or a compound mixture of a plurality of compounds selected from these.

上記検知極には、上記検知物質以外に、上記電子伝導性金属が混合して用いられる。これは、この検知極において、上記の電子伝導性金属と検知物質の界面で、リチウムイオン、検知ガス、酸素、及び電子との反応が起きるからである。このため、これらのリチウムイオン、検知ガス、酸素、及び電子が効率良く供給され、かつ、この接触界面を多くすると、上記の反応をより生じ易くし、応答性を向上させることができる。このため、電子伝導性金属からなる薄膜が微細なネットワークを形成していることが重要となる。   In addition to the detection substance, the electron conductive metal is mixed and used for the detection electrode. This is because the reaction between lithium ions, detection gas, oxygen and electrons occurs at the interface between the electron conductive metal and the detection substance in the detection electrode. For this reason, when these lithium ions, detection gas, oxygen, and electrons are efficiently supplied and the number of contact interfaces is increased, the above reaction can be more easily generated and the responsiveness can be improved. For this reason, it is important that the thin film made of an electron conductive metal forms a fine network.

上記電子伝導性金属としては、金、白金、パラジウム、ロジウム、ルテニウム、イリジウム、アルミニウム、銅、ニッケル、鉄、ステンレス等、触媒的効果がある金属があげられる。この中でも、金属リチウムと反応し、かつ検知ガスとは反応しない金属元素が好ましく、具体的には、上記した金属中でも、金、もしくは白金が好ましい。   Examples of the electron conductive metal include metals having catalytic effects such as gold, platinum, palladium, rhodium, ruthenium, iridium, aluminum, copper, nickel, iron, and stainless steel. Among these, a metal element that reacts with metallic lithium and does not react with the detection gas is preferable. Specifically, among the metals described above, gold or platinum is preferable.

上記検知極3として、上記検知物質からなる薄膜と、電子伝導性金属からなる薄膜の両方を有するものを用いる場合、検知極3としては、上記検知物質薄膜3aを成膜し、その表面に上記電子伝導性金属からなる薄膜3bを成膜した積層体(図1(a)参照)、上記電子伝導性金属からなる薄膜を成膜し、その表面に上記検知物質薄膜を成膜した積層体(図示せず)、又は、上記電子伝導性金属からなる薄膜の成膜と、上記検知物質薄膜の成膜とを同時に行い、両者を渾然一体に形成した混合薄膜(図示せず)があげられる。   When the detection electrode 3 having a thin film made of the detection substance and a thin film made of an electron conductive metal is used, the detection substance thin film 3a is formed on the surface of the detection electrode 3. A laminate in which a thin film 3b made of an electron conductive metal is formed (see FIG. 1A), a laminate in which a thin film made of the electron conductive metal is formed, and the detection substance thin film is formed on the surface thereof ( Or a mixed thin film (not shown) in which the thin film made of the electron conductive metal and the detection substance thin film are formed at the same time, and both are formed integrally.

上記検知極3の厚さは、好ましくは1μm以下とし、より好ましくは0.5μm以下にすることにより、秒オーダーの高い応答性を達成できる。1μm以上とすると、リチウム化合物の低いイオン伝導特性に律速され、応答性が低下する。一方、この検知極3の厚さの下限は、0.01μmがよく、0.05μmが好ましい。0.01μmより薄いと、電子伝導性金属が島状に孤立する部分が生成するようになり、検知極に電気的に接続できない部分が生じ、感度が低下する傾向がある。   When the thickness of the detection electrode 3 is preferably 1 μm or less, and more preferably 0.5 μm or less, high responsiveness on the order of seconds can be achieved. When the thickness is 1 μm or more, the rate is limited by the low ionic conductivity of the lithium compound, and the responsiveness decreases. On the other hand, the lower limit of the thickness of the detection electrode 3 is preferably 0.01 μm, and preferably 0.05 μm. When the thickness is less than 0.01 μm, a portion where the electron conductive metal is isolated in an island shape is generated, and a portion that cannot be electrically connected to the detection electrode is generated, and the sensitivity tends to be lowered.

[検知極と参照極との関係]
上記の通り、上記の参照極4は、基材1の表面の一部に形成される。また、この参照極4を形成しない上記基材1の表面部分、及び上記参照極4の表面のうち、上記参照極4を形成しない基材1の表面部分を含む表面部に、固体電解質薄膜2が形成される。さらに、上記検知極3は、上記固体電解質薄膜2表面の少なくとも一部であって、基材1の表面と平行方向における検知極3と参照極4との距離が0μm以上となる場所に設けられる。このため、検知極3と参照極が固体電解質薄膜2を介して積層状態になること、すなわち、参照極4表面上に形成された固体電解質薄膜2の表面に、検知極3が形成されることはない。したがって、固体電解質薄膜に生成するピンホール等によって、検知極3と参照極4とが微小短絡することがなくなる。ピンホール等をなくすためには、ホコリ等を除去した高レベルのクリーンルーム内での製造が必要となり、製造コストが高くなる問題があるが、上記のような関係とすることで一般的な工場環境での高歩留まりの製造が可能となる。
[Relationship between detection electrode and reference electrode]
As described above, the reference electrode 4 is formed on a part of the surface of the substrate 1. The solid electrolyte thin film 2 is formed on the surface portion of the base material 1 that does not form the reference electrode 4 and the surface portion of the surface of the reference electrode 4 that includes the surface portion of the base material 1 that does not form the reference electrode 4. Is formed. Furthermore, the detection electrode 3 is provided at a location where the distance between the detection electrode 3 and the reference electrode 4 in a direction parallel to the surface of the substrate 1 is at least 0 μm, at least part of the surface of the solid electrolyte thin film 2. . For this reason, the detection electrode 3 and the reference electrode are stacked through the solid electrolyte thin film 2, that is, the detection electrode 3 is formed on the surface of the solid electrolyte thin film 2 formed on the surface of the reference electrode 4. There is no. Therefore, the detection electrode 3 and the reference electrode 4 are not short-circuited by a pinhole or the like generated in the solid electrolyte thin film. In order to eliminate pinholes, manufacturing in a high-level clean room from which dust is removed is necessary, which increases manufacturing costs. Can be manufactured at a high yield.

さらに、検知極3と参照極4における、基材1の表面と平行方向における距離が0μm以上であるので、両者の間隔は、最短で、両者の間にある固体電解質薄膜2の厚みのみの距離となり、両者間の伝導度をより高めることができ、高測定感度を得ることができる。   Furthermore, since the distance between the detection electrode 3 and the reference electrode 4 in the direction parallel to the surface of the substrate 1 is 0 μm or more, the distance between the two is the shortest and only the thickness of the solid electrolyte thin film 2 between them. Thus, the conductivity between the two can be further increased, and high measurement sensitivity can be obtained.

[ヒーター]
この発明にかかるガスセンサの基材1には、必要に応じて、上記の固体電解質薄膜2、検知極3及び参照極4からなるセンサ素子が形成されている表面とは反対側の裏面に、加熱のためのヒーター5が形成される。これにより、このガスセンサの加熱が可能となる。このヒーターは、膜状のものが好ましく、材質としては、白金等の金属や酸化ルテニウム等の酸化物があげられる。
[heater]
If necessary, the base material 1 of the gas sensor according to the present invention is heated on the back surface opposite to the surface on which the sensor element including the solid electrolyte thin film 2, the detection electrode 3, and the reference electrode 4 is formed. A heater 5 is formed. Thereby, heating of this gas sensor is attained. This heater is preferably in the form of a film, and examples of the material include metals such as platinum and oxides such as ruthenium oxide.

上記ヒーターとして金属からなる膜を用いるとき、この金属膜は、上記センサ素子を形成する前の基材1に、白金ペースト等の金属ペーストをスクリーン印刷し、約1000℃で焼き付けることにより、形成することができる。   When a film made of metal is used as the heater, the metal film is formed by screen-printing a metal paste such as platinum paste on the base material 1 before forming the sensor element and baking it at about 1000 ° C. be able to.

[この発明にかかるガスセンサの機作]
この発明にかかるガスセンサである平衡電位検出型のガスセンサでは、電圧計を用いて、1GΩ(ギガオーム)程度の高入力インピーダンスにて電圧が測定されるが、必然的に数10pA(ピコ・アンペアー)程度の直流電流は流れ、その為、そのイオン交換層ではイオン交換反応が継続的に発生することとなる。
[Mechanism of gas sensor according to the present invention]
In the equilibrium potential detection type gas sensor according to the present invention, the voltage is measured with a high input impedance of about 1 GΩ (gigaohm) using a voltmeter, but it is inevitably about several tens of pA (picoampere). Therefore, the ion exchange reaction continuously occurs in the ion exchange layer.

例えば、炭酸ガスを検知する場合について詳述すると、下記の化学反応(1)が進行し、対応するネルンスト式(2)に従い、炭酸ガス濃度変化による起電力(E)の変化が発生する。   For example, when the carbon dioxide gas is detected in detail, the following chemical reaction (1) proceeds, and the electromotive force (E) changes due to the carbon dioxide gas concentration change according to the corresponding Nernst equation (2).

・化学反応式(1)
検知極;LiCO→2Li+CO+1/2O+2e
基準極;1/2O+2e→O2−
・ Chemical reaction formula (1)
Detection electrode: Li 2 CO 3 → 2Li + + CO 2 + 1 / 2O 2 + 2e
Reference electrode: 1 / 2O 2 + 2e → O 2−

・ネルンスト式(2)
E=E+(RT/2F)In(PCO2
ここで、E;定数、R;気体定数、T;センサ素子の絶対温度(K)、F;ファラデー定数、PCO2;炭酸ガス濃度。なお、空気中の酸素濃度(PO2)は一定と見なすことができる。
・ Nernst formula (2)
E = E 0 + (RT / 2F) In (P CO2 )
Here, E 0 : constant, R: gas constant, T: absolute temperature (K) of sensor element, F: Faraday constant, P CO2 ; carbon dioxide gas concentration. The oxygen concentration (P O2 ) in the air can be regarded as constant.

検知極では、検知物質よりリチウムイオン、電子伝導性金属より電子が各々供給され、大気中の炭酸ガス及び酸素と反応して炭酸リチウムが生成する。一方、基準極では、大気中の酸素より発生した酸素イオンが固体電解質薄膜中を通り、イオン交換層にてリチウムイオンと電荷を交換して電気回路が成立する。各々の界面、及び固体電解質薄膜中でのリチウムイオン、及び酸素イオンの伝導性を向上させ、安定化させることにより、センサ出力の高精度、高応答性、及び経時的安定化に有効となる。   At the detection electrode, lithium ions are supplied from the detection substance and electrons are supplied from the electron conductive metal, and reacts with carbon dioxide gas and oxygen in the atmosphere to generate lithium carbonate. On the other hand, at the reference electrode, oxygen ions generated from oxygen in the atmosphere pass through the solid electrolyte thin film and exchange electric charges with lithium ions in the ion exchange layer to form an electric circuit. By improving and stabilizing the conductivity of lithium ions and oxygen ions in each interface and in the solid electrolyte thin film, the sensor output is highly accurate, highly responsive, and effective over time.

なお、NOxガスを検知する場合には、検知極は硝酸リチウムを主成分とする化合物となり、SOxガスを検知する場合には硫酸リチウムを主成分とする化合物となる。   When detecting NOx gas, the detection electrode is a compound mainly composed of lithium nitrate, and when detecting SOx gas, it is a compound mainly composed of lithium sulfate.

[ガスセンサの製造方法]
次に、この発明にかかるガスセンサの製造方法を、図1(a)を参照して簡単に説明する。
[Manufacturing method of gas sensor]
Next, a method for manufacturing a gas sensor according to the present invention will be briefly described with reference to FIG.

まず、上記基材1の表面上の一部に、参照極4を成膜する参照極製造工程を行う。この成膜方法としては、気相法、ゾルゲル法、焼成法等があげられる。上記気相法としては、蒸着法、イオンプレーティング法、スパッタリング法、レーザアブレーション法等があげられるが、これらに限定されるものではない。   First, a reference electrode manufacturing process for forming a reference electrode 4 on a part of the surface of the substrate 1 is performed. Examples of the film forming method include a vapor phase method, a sol-gel method, and a baking method. Examples of the vapor phase method include a vapor deposition method, an ion plating method, a sputtering method, and a laser ablation method, but are not limited thereto.

次いで、参照極4を形成しない基材1表面の部分及び参照極4表面のうち、参照極4を形成しない基材1表面の部分を含む表面部に、固体電解質薄膜2を積層する固体電解質薄膜積層工程を行う。具体的に図1(a)の場合においては、上記基材1の表面のうち、参照極4が成膜された以外の部分、及び参照極4表面に、固体電解質薄膜2を成膜する固体電解質薄膜積層工程を行う。すなわち、図1(a)の場合には、参照極4を形成しない基材1表面の部分と共に、参照極4表面にも、固体電解質薄膜2を成膜する固体電解質薄膜積層工程が施される。   Next, the solid electrolyte thin film in which the solid electrolyte thin film 2 is laminated on the surface portion including the portion of the surface of the base material 1 that does not form the reference electrode 4 and the surface of the base material 1 that does not form the reference electrode 4 among the surface of the reference electrode 4. A lamination process is performed. Specifically, in the case of FIG. 1A, a solid on which the solid electrolyte thin film 2 is formed on the surface of the base material 1 other than where the reference electrode 4 is formed and on the surface of the reference electrode 4. An electrolyte thin film lamination process is performed. That is, in the case of FIG. 1A, a solid electrolyte thin film laminating step for forming the solid electrolyte thin film 2 is performed on the surface of the reference electrode 4 as well as on the surface of the base material 1 where the reference electrode 4 is not formed. .

この固体電解質薄膜2の成膜方法としては、気相法、ゾルゲル法、焼成法等があげられる。上記気相法としては、蒸着法、イオンプレーティング法、スパッタリング法、レーザアブレーション法等があげられるが、これらに限定されるものではない。また、上記ゾルゲル法としては、金属有機化合物を原料とする方法等があげられる。さらに、上記焼成法としては、コロイド状粉末を塗布した後に焼成して作製する方法があげられる。   Examples of a method for forming the solid electrolyte thin film 2 include a vapor phase method, a sol-gel method, and a firing method. Examples of the vapor phase method include a vapor deposition method, an ion plating method, a sputtering method, and a laser ablation method, but are not limited thereto. Examples of the sol-gel method include a method using a metal organic compound as a raw material. Furthermore, examples of the firing method include a method in which a colloidal powder is applied and then fired.

上記の固体電解質薄膜積層工程後、その固体電解質薄膜2の表面に検知物質及び電子伝導性金属からなる検知極3の膜を成膜する検知極製造工程を行う。この成膜方法としては、気相法、ガスデポジション法、ゾルゲル法等があげられるが、これらに限定されるものではない。   After the solid electrolyte thin film laminating step, a detection electrode manufacturing step is performed in which a film of the detection electrode 3 made of a detection substance and an electron conductive metal is formed on the surface of the solid electrolyte thin film 2. Examples of the film forming method include a vapor phase method, a gas deposition method, a sol-gel method, and the like, but are not limited thereto.

上記ガスデポジション法は、原料粉末を固体状態で基板上にガス流により吹き付けて成膜する方法である。また、上記ゾルゲル法は、原料として金属有機化合物を用い、ゾル−ゲルの変化を利用する方法である。   The gas deposition method is a method of forming a film by spraying a raw material powder in a solid state on a substrate by a gas flow. The sol-gel method uses a metal organic compound as a raw material and utilizes a sol-gel change.

上記ガスデポジション法では、上記の検知物質及び電子伝導性金属の原料粉末の混合比、もしくは両者の原料粉末用ノズルのガス流量制御により、両者の形成面積比を制御することができる。また、電子伝導性金属薄膜を最初数nm〜数10nm厚程度の島状に形成した後、上記の通り両者を同時に形成してもよい。   In the gas deposition method, the forming area ratio of both of the detection substance and the electron conductive metal raw material powder can be controlled by the mixing ratio of the raw material powders or the gas flow rate control of both raw material powder nozzles. In addition, after the electron conductive metal thin film is initially formed in an island shape with a thickness of several nm to several tens of nm, both may be formed simultaneously as described above.

上記気相法としては、蒸着法、イオンプレーティング法、スパッタリング法、及びレーザアブレーション法等があげられる。   Examples of the vapor phase method include a vapor deposition method, an ion plating method, a sputtering method, and a laser ablation method.

この気相法における原料の取扱方法としては、目的とする化合物を原料とする方法や、金属元素を原料とする方法がある。この金属元素を原料とする方法を採用する場合、金属元素としては、金属リチウムが用いられ、また、上記アルカリ土類金属を用いる場合は、金属リチウム及びアルカリ土類金属の両方が用いられる。そして、検知対象のガス種の化合物の成膜雰囲気下で成膜され、検知物質薄膜が形成される。例えば炭酸リチウム薄膜を形成する場合には、金属リチウムを原料にして、成膜雰囲気を炭酸ガス雰囲気にして気相法が行われる。   As a raw material handling method in this vapor phase method, there are a method using a target compound as a raw material and a method using a metal element as a raw material. In the case of adopting a method using this metal element as a raw material, metal lithium is used as the metal element, and when using the alkaline earth metal, both metal lithium and alkaline earth metal are used. And it forms into a film-forming atmosphere of the compound of the gas seed | species of detection object, and a detection substance thin film is formed. For example, when forming a lithium carbonate thin film, a vapor phase method is performed using metallic lithium as a raw material and a film forming atmosphere as a carbon dioxide gas atmosphere.

ところで、上記検知極3は、上記検知物質からなる薄膜と、電子伝導性金属からなる薄膜の両方を有する。この両薄膜の製造法としては、次の3つの方法を採用することができる。1つめは、図1(a)に示すように、上記検知極を成膜する場所に、上記検知物質薄膜3aを成膜し、次いで、その検知物質薄膜の表面に上記電子伝導性金属からなる薄膜3bを成膜する方法である。2つ目は、図示しないが、上記電子伝導性金属からなる薄膜を成膜し、次いで、その電子伝導性金属薄膜の表面に上記検知物質薄膜を成膜する方法である。3つ目は、図示しないが、上記検知極を成膜する場所に、上記電子伝導性金属からなる薄膜の成膜と、上記検知物質薄膜の成膜とを同時に行う方法である。   By the way, the detection electrode 3 has both a thin film made of the detection substance and a thin film made of an electron conductive metal. The following three methods can be adopted as a method for producing both the thin films. First, as shown in FIG. 1 (a), the detection substance thin film 3a is formed in a place where the detection electrode is formed, and then the surface of the detection substance thin film is made of the electron conductive metal. In this method, the thin film 3b is formed. The second method is a method of forming a thin film made of the electron conductive metal, and then forming the detection substance thin film on the surface of the electron conductive metal thin film. Although not shown, the third method is a method of simultaneously forming a thin film made of the electron conductive metal and a thin film of the detection substance thin film at a place where the detection electrode is formed.

上記検知極3を成膜する場所に、上記検知物質薄膜の成膜と、上記電子伝導性金属からなる薄膜の成膜とを順番に行う方法においては、マスクを使用したパターン形成により、2つの薄膜を積層して形成することができる。   In the method of sequentially forming the detection substance thin film and the electron conductive metal thin film at the place where the detection electrode 3 is formed, two patterns are formed by using a mask. Thin films can be stacked.

また、上記検知極3を成膜する場所に、上記電子伝導性金属からなる薄膜の成膜と、上記検知物質薄膜の成膜とを同時に行う方法では、気相法成膜装置において、原料気体発生源での気体状原料の発生量を制御する事により、両者の形成面積比率を制御する事ができる。   In the method of simultaneously forming the thin film made of the electron conductive metal and the thin film of the detection substance thin film at the place where the detection electrode 3 is formed, By controlling the generation amount of the gaseous raw material at the generation source, the formation area ratio of both can be controlled.

ところで、上記気相法の原料として、金属リチウム、又は金属リチウムとアルカリ土類金属とを用いる場合、上記の検知対象のガス種の化合物の成膜雰囲気下で成膜する方法以外に、アルゴンガス等の不活性ガスの成膜雰囲気下で金属リチウム含有薄膜を成膜し、乾燥雰囲気下、所定温度で熱処理して合金化させ、次いで、水及び検知ガス種と反応させる方法を用いてもよい。これによっても、目的の検知物質薄膜を形成することができる。   By the way, when using metal lithium or metal lithium and alkaline earth metal as a raw material for the vapor phase method, argon gas is used in addition to the method of forming a film in the film formation atmosphere of the compound of the gas species to be detected. A method of forming a metal lithium-containing thin film under an inert gas film formation atmosphere such as heat treatment at a predetermined temperature and alloying in a dry atmosphere and then reacting with water and a detection gas species may be used. . Also by this, the target detection substance thin film can be formed.

上記の乾燥雰囲気は、露点が−40℃以下の雰囲気がよく、また、上記の熱処理温度は、100℃以上500℃以下がよい。露点が−40℃より高い雰囲気下だと、水と金属リチウムとの反応が一部に生じるおそれがある。また、熱処理温度が上記温度より低いと、両者の合金化が困難となり、結果的に、十分な性能が得られなくなるおそれがある。一方、熱処理温度が上記温度より高くてもよいが、得られる薄膜の性能に、大きな差は生じないため、上記の温度範囲で十分である。   The dry atmosphere is preferably an atmosphere having a dew point of −40 ° C. or lower, and the heat treatment temperature is preferably 100 ° C. or higher and 500 ° C. or lower. If the dew point is higher than −40 ° C., the reaction between water and metallic lithium may occur in part. On the other hand, when the heat treatment temperature is lower than the above temperature, it is difficult to alloy them, and as a result, sufficient performance may not be obtained. On the other hand, although the heat treatment temperature may be higher than the above temperature, the above temperature range is sufficient because there is no great difference in the performance of the obtained thin film.

ところで、検知物質薄膜を成膜する場合に、金属リチウムとアルカリ土類金属の両方を用いる場合、金属リチウム及びアルカリ土類金属を別々にあるいは同時に気相法にて、上記乾燥条件下で金属状態で成膜し、その後に上記温度範囲に加湿した炭酸ガス等の検知ガス種と反応させることによって作製させると、金属リチウム及びアルカリ土類金属の両方を、効率よく、検知ガス種の化合物を得ることができ、好ましい。   By the way, when both the metallic lithium and the alkaline earth metal are used when forming the detection substance thin film, the metallic lithium and the alkaline earth metal are separately in the vapor phase method or in the metal state under the above drying conditions. Then, both metal lithium and alkaline earth metal are efficiently obtained as a compound of the detection gas species by reacting with a detection gas species such as carbon dioxide gas humidified to the above temperature range. Can be preferred.

また、イオウ酸化物ガスを検知する検知極3を作製する場合、上記したような金属リチウム、リン、及び硫黄を含有する化合物又は化合物混合物からなる固体電解質薄膜を形成し、熱処理をした後、水及び検知ガス種を反応することにより、検知極3を製造することができる。得られた検知極は、LiSO、Li、Li18、LiPO、LiPO等や、これらの水和物の混合体からなり、Liイオン伝導度が高い、イオウ酸化物の検知特性の優れた薄膜検知極となる。 Further, when producing the detection electrode 3 for detecting sulfur oxide gas, after forming a solid electrolyte thin film made of a compound or compound mixture containing metallic lithium, phosphorus, and sulfur as described above, The detection electrode 3 can be manufactured by reacting the detection gas species. The obtained sensing electrode consists of Li 2 SO 4 , Li 2 S 2 O 6 , Li 6 P 6 O 18 , Li 3 PO 4 , LiPO 3, etc., and a mixture of these hydrates, and Li ion conduction It is a thin film sensing electrode with a high degree of sulfur oxide detection characteristics.

上記の検知極3を製造する方法の中でも、レーザアブレーション法や、金属リチウム膜、又は電子伝導性金属を構成する金属元素と金属リチウムとの合金膜を上記の方法で形成し、熱処理した後、水及び検知ガス種を反応させて検知極3を形成する方法が、より好ましい。   Among the methods for producing the detection electrode 3, a laser ablation method, a metal lithium film, or an alloy film of a metal element and metal lithium constituting an electron conductive metal is formed by the above method, and after heat treatment, A method of forming the detection electrode 3 by reacting water and detection gas species is more preferable.

上記の製造方法を採用することにより、この発明にかかるガスセンサを製造することができる。   By employing the above manufacturing method, the gas sensor according to the present invention can be manufactured.

下記に実施の形態を示すが、これらに限定されるものではない。なお、下記実施例に於いては、炭酸ガスセンサについて、説明する。
(実施例1)
[炭酸ガスセンサの製造]
基材1の裏面に、上記の方法でヒーター5を形成するヒーター形成工程を行う。すなわち、上記センサ素子を形成する前の基材1の裏面に、白金ペースト等の金属ペーストまたは酸化ルテニウムをスクリーン印刷し、約1000℃で焼き付けた。
5mm角、厚さ0.5mmの石英ガラス板基材の表面にマスクをし、その一部のみを開放し、そこに、DCスパッタ法を用い、白金を0.1μm厚に形成し、参照極4の膜を製造した。
次いで、参照極4を設けなかった基材の部分、及び参照極4の一部の表面が開放されるようにマスクをし、酸化ガドリニウムを添加した酸化セリウム膜(GDC)を厚さ1.0μm厚に形成して、固体電解質薄膜2を形成した。この固体電解質薄膜2は、エキシマレーザアブレーション法成膜装置内に基材を設置し、基材温度を650℃として、酸化ガドリニウムを添加した酸化セリウム粉末の焼結体ターゲット上にエキシマレーザ光をパルス照射して、酸素ガス雰囲気下、処理する方法で成膜を行った。
次に、上記固体電解質薄膜2の表面であって、上記参照極4と上下方向で重ならない位置であって、この参照極4の端面から1μm離れた位置が端面となるように、検知極3を形成した。この検知極の形成では2元蒸着法を用い、金と金属リチウムとを同時に別々のルツボより蒸発させ成膜した。成膜後、大気中で約500℃に加熱して、炭酸リチウムと金の混合薄膜を形成した。
そして、検知極3と参照極4に各々金のリード線を金ペーストにより接続して、炭酸ガスセンサとし、図1(a)に示すガスセンサを得た(なお、検知極3は、混合薄膜なので、これのみ、図1(a)と相違する)。
得られた炭酸ガスセンサを用いて、下記の各測定・評価を行った。その結果を表1に示す。
Although embodiment is shown below, it is not limited to these. In the following examples, a carbon dioxide sensor will be described.
(Example 1)
[Manufacture of carbon dioxide sensor]
The heater formation process which forms the heater 5 with said method on the back surface of the base material 1 is performed. That is, a metal paste such as platinum paste or ruthenium oxide was screen-printed on the back surface of the base material 1 before forming the sensor element and baked at about 1000 ° C.
A mask is formed on the surface of a 5 mm square and 0.5 mm thick quartz glass plate substrate, and only a part of the mask is opened. Then, a DC sputtering method is used to form platinum to a thickness of 0.1 μm. Four membranes were produced.
Next, a mask is formed so that a part of the base material where the reference electrode 4 is not provided and a part of the surface of the reference electrode 4 are opened, and a cerium oxide film (GDC) to which gadolinium oxide is added has a thickness of 1.0 μm. The solid electrolyte thin film 2 was formed in a thick thickness. This solid electrolyte thin film 2 is prepared by placing a substrate in an excimer laser ablation film forming apparatus, setting the substrate temperature to 650 ° C., and pulsed excimer laser light on a sintered target of cerium oxide powder to which gadolinium oxide is added. The film was formed by a method of irradiation and treatment in an oxygen gas atmosphere.
Next, the detection electrode 3 is a surface of the solid electrolyte thin film 2 that does not overlap with the reference electrode 4 in the vertical direction and is located 1 μm away from the end surface of the reference electrode 4. Formed. In the formation of this detection electrode, a binary evaporation method was used, and gold and metallic lithium were simultaneously evaporated from separate crucibles to form a film. After film formation, the mixture was heated to about 500 ° C. in the atmosphere to form a mixed thin film of lithium carbonate and gold.
Then, a gold lead wire was connected to the detection electrode 3 and the reference electrode 4 with a gold paste to obtain a carbon dioxide gas sensor, and the gas sensor shown in FIG. 1A was obtained (note that the detection electrode 3 is a mixed thin film, This is the only difference from FIG.
The following measurements and evaluations were performed using the obtained carbon dioxide sensor. The results are shown in Table 1.

[センサ出力の測定]
センサ駆動温度が370℃になるように、ヒーター5へ電圧をかけた。
そして、酸素22%、窒素78%、室温に於ける相対湿度60%の混合ガスに炭酸ガスを添加して、炭酸ガス濃度を大気と同程度の350ppmと、濃度を上げて1000ppmにした標準ガスを作製し、切り替えて測定容器内に流した。
製造した炭酸ガスセンサを測定容器内に入れ、入力インピーダンス1GΩ(ギガオーム)のエレクトロメーターに接続した。測定容器内温度を50℃一定にし、炭酸ガス濃度350ppm混合ガスと1000ppm混合ガスとを交互に流して、その出力を測定した。
なお、ガス切り替え時に於けるガス流速変化によるセンサ部の温度変動の影響は、センサに取り付けた熱電対により検出した温度を元にネルンストの式に従い補正した。
(370℃におけるΔEの理論値({CO(1000ppm)でのセンサ出力−CO(350ppm)でのセンサ出力}の理論値)は29mVである。)
[Measurement of sensor output]
A voltage was applied to the heater 5 so that the sensor driving temperature was 370 ° C.
Carbon dioxide is added to a mixed gas of 22% oxygen, 78% nitrogen, and 60% relative humidity at room temperature, and the carbon dioxide concentration is increased to 350 ppm, the same level as the atmosphere, and the standard gas is increased to 1000 ppm. Were made and switched to flow into the measurement container.
The produced carbon dioxide sensor was placed in a measurement container and connected to an electrometer having an input impedance of 1 GΩ (gigaohm). The temperature in the measurement vessel was kept constant at 50 ° C., and a carbon dioxide concentration 350 ppm mixed gas and a 1000 ppm mixed gas were alternately flowed, and the output was measured.
In addition, the influence of the temperature fluctuation of the sensor part due to the gas flow rate change at the time of gas switching was corrected according to the Nernst equation based on the temperature detected by the thermocouple attached to the sensor.
(Theoretical value of ΔE at 370 ° C. ({theoretical value of sensor output at CO 2 (1000 ppm) −sensor output at CO 2 (350 ppm))} is 29 mV.)

[測定安定性]
炭酸ガス濃度を350ppmから1000ppmに切り替えたとき、すぐに測定することができるか否かの安定性について目視で評価した。
[Measurement stability]
When the carbon dioxide concentration was switched from 350 ppm to 1000 ppm, the stability of whether or not it could be measured immediately was evaluated visually.

[測定時間]
炭酸ガス濃度を350ppmから1000ppmに増加させたときに出力が安定する時間、及び、炭酸ガス濃度を1000ppmから350ppmに減少させたときに出力が安定する時間を測定した。
[Measurement time]
The time when the output was stabilized when the carbon dioxide concentration was increased from 350 ppm to 1000 ppm and the time when the output was stabilized when the carbon dioxide concentration was decreased from 1000 ppm to 350 ppm were measured.

[経時的安定性]
炭酸ガス濃度を350ppm一定にし、測定温度を50℃に保持して、その出力の変化を350日にわたり測定した。その結果、値が、±0.5mVのバラツキ内にある場合は、「○」と、その範囲を超えるバラツキがある場合は、「×」とした。
[Stability over time]
The carbon dioxide concentration was kept constant at 350 ppm, the measurement temperature was kept at 50 ° C., and the change in the output was measured over 350 days. As a result, when the value was within a variation of ± 0.5 mV, “◯” was indicated, and when there was a variation exceeding the range, “X” was assigned.

(実施例2)
固体電解質薄膜を酸化イットリウム添加の酸化ジルコニウムに変えて、実施例1と同じ方法にて炭酸ガスセンサを作製し、出力を測定した。その結果を表1に示す。
(Example 2)
A carbon dioxide sensor was prepared in the same manner as in Example 1 except that the solid electrolyte thin film was replaced with yttrium oxide-added zirconium oxide, and the output was measured. The results are shown in Table 1.

(実施例3〜6)
参照極を変えて実施例1と同じ方法でセンサ素子を作製し、上記の条件にてセンサ出力を測定した。結果を表1に示す。
(Examples 3 to 6)
A sensor element was produced in the same manner as in Example 1 while changing the reference electrode, and the sensor output was measured under the above conditions. The results are shown in Table 1.

(実施例7〜15)
検知物質として、炭酸リチウムと、表1に示すその他の化合物を用いた以外は、実施例1と同じ方法でセンサ素子を作製し、実施例2と同じ条件にてセンサ出力を測定した。結果を表1に示す。
(Examples 7 to 15)
A sensor element was produced by the same method as in Example 1 except that lithium carbonate and other compounds shown in Table 1 were used as the detection substance, and the sensor output was measured under the same conditions as in Example 2. The results are shown in Table 1.

但し、検知極はエキシマレーザーアブレーション法にて作製した。ターゲットには直径20mm、厚みが5mmの円盤状のものを使用したが、その円盤状のターゲットを3等分に縦割りし、その3分の1は、その他の化合物よりなり、さらに3分の1はLi金属とし、残りの3分の1は金の金属板とした。このターゲットを自転させて、レーザー光をターゲット上に照射し、その他の化合物の層と金属層とを交互に成膜した。成膜後は、実施例1と同様の工程を経て、検知極を得た。   However, the detection electrode was prepared by excimer laser ablation. As the target, a disk-shaped target having a diameter of 20 mm and a thickness of 5 mm was used. The disk-shaped target was vertically divided into three equal parts, one third of which consisted of other compounds, and another 3 minutes. 1 was Li metal, and the remaining third was a gold metal plate. The target was rotated to irradiate the target with laser light, and other compound layers and metal layers were alternately formed. After the film formation, the detection electrode was obtained through the same process as in Example 1.

Figure 2008224637
Figure 2008224637

なお、表1において使用したリチウム化合物及びその他の物質で用いた化合物の化学式は、下記の通りである。
すなわち、炭酸リチウムはLiCO、炭酸ストロンチウムはSrCO、炭酸バリウムはBaCO、炭酸カルシウムはCaCO、リン酸リチウムはLiPO、窒化ホルホリルリチウムはLi3.3PO3.70.3、チタン酸リチウムはLiTi12である。
The chemical formulas of the lithium compounds used in Table 1 and the compounds used for other substances are as follows.
That is, lithium carbonate is Li 2 CO 3 , strontium carbonate is SrCO 3 , barium carbonate is BaCO 3 , calcium carbonate is CaCO 3 , lithium phosphate is Li 3 PO 4 , and phosphoryllithium nitride is Li 3.3 PO 3. 7 N 0.3 and lithium titanate are Li 4 Ti 5 O 12 .

(その他のセンサ)
窒素酸化物ガス、及びイオウ酸化物ガスについても、同様にセンサを作製し、同様にセンサ検知の試験を行ったところ、同様の出力、及び経時的安定性を得ることができた。
(Other sensors)
As for nitrogen oxide gas and sulfur oxide gas, when sensors were similarly produced and the sensor detection test was conducted in the same manner, the same output and stability over time could be obtained.

(a)(b)この発明にかかるガスセンサの例を示す断面図(A) (b) Sectional drawing which shows the example of the gas sensor concerning this invention

符号の説明Explanation of symbols

1 基材
2 固体電解質薄膜
3 検知極
3a 検知物質薄膜
3b 電子伝導性金属からなる薄膜
4 参照極
5 ヒーター
D 基材の表面と平行方向における、検知極と参照極との距離
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Base material 2 Solid electrolyte thin film 3 Detection electrode 3a Detection substance thin film 3b Thin film 4 made of an electron conductive metal Reference electrode 5 Heater D Distance between the detection electrode and the reference electrode in a direction parallel to the surface of the substrate

Claims (11)

基材の表面の一部に参照極を形成し、
上記参照極を形成しない上記基材表面の部分及び上記参照極表面のうち、上記参照極を形成しない上記基材表面の部分を含む表面部に、固体電解質薄膜を形成し、
上記固体電解質薄膜表面の少なくとも一部に検知極を形成し、
上記基材の表面と平行方向における、上記検知極と上記参照極との距離が、0μm以上500μm以下であるガスセンサ。
Forming a reference electrode on a part of the surface of the substrate;
A solid electrolyte thin film is formed on the surface portion including the portion of the base material surface that does not form the reference electrode, of the portion of the base material surface that does not form the reference electrode and the surface of the reference electrode.
Forming a sensing electrode on at least a part of the surface of the solid electrolyte thin film;
A gas sensor, wherein a distance between the detection electrode and the reference electrode in a direction parallel to the surface of the substrate is 0 μm or more and 500 μm or less.
上記固体電解質は、酸化セリウムを主成分とする酸素イオン伝導体、又は酸化ジルコニウムを主成分とする酸素イオン伝導体であり、
上記検知極は、金属リチウムと、検知対象のガス種の化合物とが反応して生成するリチウム化合物を主成分とする検知物質、及び電子伝導性金属からなり、
上記参照極は、白金、パラジウム、ロジウム、ルテニウム、及びイリジウムよりなる群から選定される金属である請求項1に記載のガスセンサ。
The solid electrolyte is an oxygen ion conductor mainly composed of cerium oxide or an oxygen ion conductor mainly composed of zirconium oxide,
The detection electrode is composed of a detection substance mainly composed of a lithium compound produced by a reaction between metallic lithium and a gas species compound to be detected, and an electron conductive metal,
The gas sensor according to claim 1, wherein the reference electrode is a metal selected from the group consisting of platinum, palladium, rhodium, ruthenium, and iridium.
上記検知物質は、上記リチウム化合物に加えて、アルカリ土類金属から選ばれる1種以上の元素と、検知するガス種の化合物と反応して生成する化合物を含有する請求項2記載のガスセンサ。   3. The gas sensor according to claim 2, wherein the detection substance contains, in addition to the lithium compound, one or more elements selected from alkaline earth metals and a compound produced by reacting with a compound of a gas species to be detected. 上記検知物質は、上記リチウム化合物に加えて、リン酸リチウム、窒化ホスホリルリチウム、及びチタン酸リチウムよりなる群から選定される1種以上の化合物を含有する請求項2又は3に記載のガスセンサ。   The gas sensor according to claim 2 or 3, wherein the detection substance contains one or more compounds selected from the group consisting of lithium phosphate, phosphoryl lithium nitride, and lithium titanate in addition to the lithium compound. 上記電子伝導性金属が、金及び白金のいずれかである請求項2乃至4のいずれかに記載のガスセンサ。   The gas sensor according to claim 2, wherein the electron conductive metal is either gold or platinum. 基材の表面の一部に参照極を製造する参照極製造工程を行い、
次いで、上記参照極を形成しない上記基材表面の部分及び上記参照極表面のうち、上記参照極を形成しない上記基材表面の部分を含む表面部に、固体電解質薄膜を積層する固体電解質薄膜積層工程を行い、
次に、上記固体電解質薄膜表面の少なくとも一部に、気相法、ガスデポジション法、又はゾルゲル法によって、検知物質及び電子伝導性金属の混合体からなる検知極膜を成膜する検知極製造工程を行い、
上記基材の表面と平行方向における、上記検知極と上記参照極との距離を0μm以上500μm以下となるように、上記検知極製造工程を行うガスセンサの製造方法。
A reference electrode manufacturing process for manufacturing a reference electrode on a part of the surface of the substrate is performed.
Next, a solid electrolyte thin film stack in which a solid electrolyte thin film is stacked on a surface portion including the portion of the base material surface that does not form the reference electrode and the surface of the base material that does not form the reference electrode among the surface of the reference electrode Perform the process,
Next, a detection electrode manufacturing method in which a detection electrode film made of a mixture of a detection substance and an electron conductive metal is formed on at least a part of the surface of the solid electrolyte thin film by a gas phase method, a gas deposition method, or a sol-gel method. Perform the process,
A method of manufacturing a gas sensor, wherein the detection electrode manufacturing process is performed such that a distance between the detection electrode and the reference electrode in a direction parallel to the surface of the substrate is 0 μm or more and 500 μm or less.
上記検知極製造工程における成膜方法は、蒸着法、イオンプレーティング法、スパッタリング法、及びレーザアブレーション法から選ばれる気相法のいずれかである請求項6に記載のガスセンサの製造方法。   The gas sensor manufacturing method according to claim 6, wherein the film forming method in the detection electrode manufacturing process is any one of a vapor phase method selected from a vapor deposition method, an ion plating method, a sputtering method, and a laser ablation method. 上記気相法の原料として、金属リチウム、又は金属リチウムとアルカリ土類金属とを用い、検知対象のガス種の化合物の成膜雰囲気下で検知物質薄膜を成膜する請求項7に記載のガスセンサの製造方法。   The gas sensor according to claim 7, wherein metal thin film or a metal lithium and an alkaline earth metal is used as a raw material for the gas phase method, and a detection substance thin film is formed in a film formation atmosphere of a compound of a gas species to be detected. Manufacturing method. 上記検知極を成膜する場所に、上記電子伝導性金属からなる薄膜を成膜し、次いで、その電子伝導性金属薄膜の表面に上記検知物質薄膜を成膜するか、又は、上記検知極を成膜する場所に、上記電子伝導性金属からなる薄膜の成膜と、上記検知物質薄膜の成膜とを同時に行う請求項6、7又は8に記載のガスセンサの製造方法。   A thin film made of the electron conductive metal is formed in a place where the detection electrode is formed, and then the detection substance thin film is formed on the surface of the electron conductive metal thin film, or the detection electrode is The method for manufacturing a gas sensor according to claim 6, 7 or 8, wherein the film forming of the thin film made of the electron conductive metal and the film forming of the detection substance thin film are simultaneously performed at a place where the film is formed. 上記気相法の原料として、金属リチウム、又は金属リチウムとアルカリ土類金属とを用い、不活性ガスの成膜雰囲気下で、金属リチウム含有薄膜を成膜し、
上記検知極を成膜する場所に、上記電子伝導性金属からなる薄膜を成膜し、次いで、その電子伝導性金属薄膜の表面に上記検知物質薄膜を成膜するか、又は、上記検知極を成膜する場所に、上記電子伝導性金属からなる薄膜の成膜と、上記検知物質薄膜の成膜とを同時に行い、
次いで、露点−40℃以下の乾燥雰囲気下、100℃以上500℃以下の温度で熱処理し、次いで、水及び検知ガス種と反応させる請求項7に記載のガスセンサの製造方法。
As a raw material of the vapor phase method, using metal lithium, or metal lithium and alkaline earth metal, forming a metal lithium-containing thin film in an inert gas film formation atmosphere,
A thin film made of the electron conductive metal is formed in a place where the detection electrode is formed, and then the detection substance thin film is formed on the surface of the electron conductive metal thin film, or the detection electrode is In the place where the film is to be formed, the thin film made of the electron conductive metal and the thin film of the sensing substance are simultaneously formed
Next, the method for producing a gas sensor according to claim 7, wherein heat treatment is performed at a temperature of 100 ° C. or more and 500 ° C. or less in a dry atmosphere having a dew point of −40 ° C. or less, and then reacted with water and a detection gas species.
上記金属リチウムと共に、リン、及び硫黄を含有する化合物又は化合物混合物を用いる請求項8、9又は10に記載のガスセンサの製造方法。   The method for producing a gas sensor according to claim 8, 9 or 10, wherein a compound or compound mixture containing phosphorus and sulfur is used together with the metallic lithium.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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JP2014217840A (en) * 2009-02-26 2014-11-20 コーニング インコーポレイテッド NOx ADSORPTIVE FILMS FOR NOx SENSOR TECHNOLOGIES
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