JP2011225434A - Method for producing alumina porous body - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a method for producing an alumina porous body, which can control an alumina porous body so as to have desired porous properties when producing the alumina porous body.SOLUTION: When producing the alumina porous body, alumina powder and a pore forming agent are mixed at a predetermined fixed mixing ratio so as to be a mixed raw material, the mixed raw material is molded into a molded body, and the molded body is fired at a prescribed firing temperature while performing adjustment in such a manner that predetermined fixed water vapor partial pressure is obtained in an air atmosphere.

Description

本発明は、アルミナ多孔体の製法に関する。   The present invention relates to a method for producing a porous alumina body.

従来より、アルミナ粉末と造孔剤とを混合し、成形した成形体を焼結してアルミナ多孔体を製造する方法が知られている(例えば特許文献1参照)。また、アルミナ多孔体は、耐熱性、耐腐食性、耐摩耗性が必要とされる環境で用いられる材料として使用されている。その一例としては、可燃ガス成分を測定するガスセンサの電極を被覆する電極保護膜が挙げられる。こうしたガスセンサにおいて、電極保護膜を被測定ガスが通過するときのガス拡散抵抗は、出力の安定化を図る上で重要な要因となる。このため、所望のガス拡散抵抗を持つ電極保護膜を製造する技術を確立することが要望されている。   Conventionally, a method for producing a porous alumina body by mixing alumina powder and a pore-forming agent and sintering the formed compact is known (see, for example, Patent Document 1). Moreover, the alumina porous body is used as a material used in an environment where heat resistance, corrosion resistance, and wear resistance are required. One example is an electrode protective film that covers an electrode of a gas sensor that measures a combustible gas component. In such a gas sensor, the gas diffusion resistance when the gas to be measured passes through the electrode protective film is an important factor for stabilizing the output. For this reason, it is desired to establish a technique for manufacturing an electrode protective film having a desired gas diffusion resistance.

特開2003−2760号公報Japanese Patent Laid-Open No. 2003-2760

しかしながら、アルミナ多孔体を電極保護膜として利用する場合、その電極保護膜のガス拡散抵抗を所望の値に制御することは容易ではなかった。具体的には、アルミナ粉末と造孔剤とを混合し、成形した成形体を焼結する場合、大気を打ち込みながら所定の焼結温度で焼結するのであるが、アルミナ粉末と造孔剤との混合比率が一定であっても製造ロットが異なるとガス拡散抵抗が大きくばらつくことがあった。   However, when an alumina porous body is used as an electrode protective film, it is not easy to control the gas diffusion resistance of the electrode protective film to a desired value. Specifically, when alumina powder and a pore-forming agent are mixed and the formed molded body is sintered, sintering is performed at a predetermined sintering temperature while injecting the atmosphere. Even if the mixing ratio is constant, the gas diffusion resistance may vary greatly if the production lot is different.

本発明はこのような課題を解決するためになされたものであり、アルミナ多孔体を製造するにあたり、そのアルミナ多孔体を所望の多孔質性状を持つように制御できるようにすることを主目的とする。   The present invention has been made in order to solve such problems, and it is a main object of the present invention to make it possible to control the alumina porous body so as to have a desired porous property in producing the alumina porous body. To do.

本発明者らは、アルミナ粉末と造孔剤とを混合して混合原料とし、その混合原料を成形した成形体を大気を打ち込みながら所定の焼結温度で焼結する場合、得られるアルミナ多孔体のガス拡散抵抗が造孔剤の使用量と打ち込む大気に含まれる水蒸気分圧とに依存することを見いだし、本発明を完成するに至った。   When the inventors of the present invention mix alumina powder and a pore former to form a mixed raw material and sinter the molded body obtained by molding the mixed raw material at a predetermined sintering temperature while driving the atmosphere, the resulting porous alumina body is obtained. It has been found that the gas diffusion resistance depends on the amount of pore-forming agent used and the partial pressure of water vapor contained in the atmosphere to be injected, and the present invention has been completed.

すなわち、本発明の第1のアルミナ多孔体の製法は、
アルミナ粉末と造孔剤とを予め定められた混合割合で混合して混合原料とし、その混合原料を成形した成形体を、大気雰囲気下で、一定の水蒸気分圧となるように焼成雰囲気を調整しながら焼成し、所望の多孔質性状を実現する、
ものである。
That is, the manufacturing method of the 1st alumina porous body of this invention is the following.
Alumina powder and pore former are mixed at a predetermined mixing ratio to form a mixed raw material, and the molded body obtained by molding the mixed raw material is adjusted in a firing atmosphere so as to have a constant water vapor partial pressure in the air atmosphere. Firing while realizing the desired porous properties,
Is.

本発明の第2のアルミナ多孔体の製法は、
焼成時の水蒸気分圧と、アルミナ粉末と造孔剤との混合割合と、得られるアルミナ多孔体のガス拡散抵抗との3者の関係を求め、製造しようとするアルミナ多孔体のガス拡散抵抗が所望の値となるように前記関係から焼成時の水蒸気分圧及びアルミナ粉末と造孔剤との混合割合を決定し、その後、アルミナ粉末と造孔剤とを前記決定した混合割合で混合して混合原料とし、その混合原料を成形した成形体を、大気雰囲気下で前記決定した水蒸気分圧となるように調整しながら所定の焼成温度で焼成する、
ものである。
The method for producing the second porous alumina body of the present invention is as follows.
The three-way relationship between the water vapor partial pressure during firing, the mixing ratio of the alumina powder and the pore forming agent, and the gas diffusion resistance of the resulting alumina porous body is determined, and the gas diffusion resistance of the alumina porous body to be manufactured is Determine the water vapor partial pressure during firing and the mixing ratio of the alumina powder and the pore former from the above relationship so that the desired value is obtained, and then mix the alumina powder and the pore former at the determined mixing ratio. Firing at a predetermined calcining temperature while adjusting the molded body obtained by molding the mixed raw material to the determined steam partial pressure in the air atmosphere as a mixed raw material,
Is.

本発明の第1及び第2のアルミナ多孔体の製法によれば、アルミナ多孔体を製造するにあたり、そのアルミナ多孔体を所望の多孔質性状(例えばガス拡散抵抗など)を持つように制御することができる。本発明者らは、アルミナ粉末と造孔剤とを混合して混合原料とし、その混合原料を成形した成形体を大気雰囲気下で所定の焼結温度で焼結する場合、同じ割合で混合した混合原料を用いているにもかかわらず、得られるアルミナ多孔体のガス拡散抵抗が季節によって大きく変動することに気づいた。そして、なぜガス拡散抵抗が季節によって大きく変動するのかを追究した。その結果、大気に含まれる水分量が多いとアルミナの焼結性が低下して隙間が多くなるためガス拡散抵抗が小さくなり、逆に水分量が少ないとガス拡散抵抗が大きくなるという知見を得るに至った。そして、その知見をもとに、アルミナ粉末と造孔剤とを予め定められた混合割合で混合して混合原料とし、その混合原料を成形した成形体を、大気雰囲気下で、一定の水蒸気分圧となるように焼成雰囲気を調整しながら焼成したところ、季節や製造ロットによらず、一定のガス拡散抵抗を持つアルミナ多孔体が得られることがわかった。また、予め焼成時の水蒸気分圧と、アルミナ粉末と造孔剤との混合割合と、得られるアルミナ多孔体のガス拡散抵抗との3者の関係を求めておき、製造しようとするアルミナ多孔体のガス拡散抵抗が所望の値となるように前記関係から焼成時の水蒸気分圧及びアルミナ粉末と造孔剤との混合割合を決定し、その後、アルミナ粉末と造孔剤とを前記決定した混合割合で混合して混合原料とし、その混合原料を成形した成形体を、大気雰囲気下で前記決定した水蒸気分圧となるように調整しながら所定の焼成温度で焼成したところ、所望のガス拡散抵抗を持つアルミナ多孔体が得られることがわかった。   According to the first and second alumina porous body manufacturing methods of the present invention, when the alumina porous body is manufactured, the alumina porous body is controlled to have a desired porous property (for example, gas diffusion resistance). Can do. The inventors mixed alumina powder and a pore former to form a mixed raw material, and when the molded body obtained by molding the mixed raw material was sintered at a predetermined sintering temperature in an air atmosphere, they were mixed at the same ratio. Despite the use of mixed raw materials, the inventors have noticed that the gas diffusion resistance of the resulting alumina porous body varies greatly depending on the season. And we investigated why gas diffusion resistance fluctuates greatly depending on the season. As a result, the knowledge that when the amount of moisture contained in the air is large, the sinterability of alumina is reduced and the gaps are increased, so that the gas diffusion resistance is reduced, and conversely, the gas diffusion resistance is increased when the amount of moisture is small. It came to. Based on this knowledge, the alumina powder and the pore former are mixed at a predetermined mixing ratio to obtain a mixed raw material. When it was fired while adjusting the firing atmosphere to achieve a pressure, it was found that an alumina porous body having a certain gas diffusion resistance could be obtained regardless of the season or production lot. In addition, the three-way relationship between the partial pressure of water vapor at the time of firing, the mixing ratio of the alumina powder and the pore former, and the gas diffusion resistance of the resulting porous alumina body is obtained, and the porous alumina body to be manufactured From the above relationship, the water vapor partial pressure during firing and the mixing ratio of the alumina powder and the pore former are determined from the above relationship so that the gas diffusion resistance becomes a desired value, and then the alumina powder and the pore former are mixed as determined above. When the mixture obtained by mixing at a ratio to obtain a mixed raw material and calcined at a predetermined calcining temperature while adjusting the water vapor partial pressure determined in the air atmosphere to obtain the desired gas diffusion resistance It was found that an alumina porous body having the following can be obtained.

本発明の第1及び第2のアルミナ多孔体の製法において、アルミナ粉末としては、α、γ、δ、θのいずれの結晶形態のアルミナ粉末も使用可能であるが、γ−アルミナはアルミナ多孔体を高比表面積を有する触媒担体として利用する場合に適しており、α−アルミナは構造用の焼結体として利用する場合に適している。   In the first and second methods for producing a porous alumina body of the present invention, alumina powders in any crystal form of α, γ, δ, θ can be used as the alumina powder, but γ-alumina is a porous alumina body. Is suitable for use as a catalyst carrier having a high specific surface area, and α-alumina is suitable for use as a structural sintered body.

本発明の第1及び第2のアルミナ多孔体の製法において、造孔剤としては、特に限定するものではないが、例えばグラファイト等の炭素材;メラミン等の低分子有機材料;ポリエチレンやポリプロピレン、メラミン樹脂、ポリメタクリル酸メチル等の高分子有機材料;でんぷん等の植物系材料などが挙げられる。   In the first and second alumina porous body production methods of the present invention, the pore-forming agent is not particularly limited. For example, carbon materials such as graphite; low molecular organic materials such as melamine; polyethylene, polypropylene, and melamine Resin, high molecular organic materials such as polymethyl methacrylate; and plant-based materials such as starch.

本発明の第1及び第2のアルミナ多孔体の製法において、混合原料は、アルミナ粉末、造孔剤以外のものを含んでいてもよく、例えば、適宜、可塑剤や有機溶剤、バインダーを含んでいてもよい。原料を混合するにあたり、例えば、有機溶媒中で湿式混合することによりスラリーとし、該スラリーを乾燥造粒して混合粉末としてもよい。湿式混合を行う際は、ポットミル、トロンメル、アトリッションミルなどの混合粉砕機を使用してもよい。また、湿式混合の代わりに乾式混合してもよい。また、混合原料を成形するにあたり、成形体がブロック体の場合にはプレス成形してもよいが、電極保護膜などの薄膜の場合にはスラリーをテープ成型ないしはスクリーン印刷してもよい。   In the first and second alumina porous body production methods of the present invention, the mixed raw material may contain materials other than alumina powder and pore former, for example, appropriately containing a plasticizer, an organic solvent, and a binder. May be. In mixing the raw materials, for example, a slurry may be obtained by wet mixing in an organic solvent, and the slurry may be dried and granulated to obtain a mixed powder. When performing wet mixing, a mixing and grinding machine such as a pot mill, a trommel, an attrition mill, or the like may be used. Further, dry mixing may be performed instead of wet mixing. In forming the mixed raw material, when the molded body is a block body, press molding may be performed, but when the molded body is a thin film such as an electrode protective film, the slurry may be tape-molded or screen-printed.

本発明の第1及び第2のアルミナ多孔体の製法において、成形体を、大気雰囲気下で、一定の水蒸気分圧となるように焼成雰囲気を調整しながら焼成するにあたり、水蒸気分圧の調整は、例えば、焼成を実施する焼成炉から排出される雰囲気の露点を測定することにより炉内水蒸気分圧の実測値を求め、この実測値が予め定められた水蒸気分圧と一致するように、焼成炉に供給する水蒸気量を調節すればよい。このような焼成炉の実力としては水蒸気分圧が0.5hPa〜40hPaの範囲で制御でき、また焼成最高温度保持時間での水蒸気ばらつきは最大でプラスマイナス3hPaである。焼成温度は、例えば、1000〜1600℃の範囲で設定するのが好ましく、1300〜1400℃の範囲で設定するのがより好ましい。こうした水蒸気の調整は、少なくとも焼成温度への昇温が終了してからその焼成温度で保持する期間が終了するまで実行するのが好ましく、脱脂が終了してから焼成温度で保持する期間が終了するまで実行するのがより好ましく、昇温開始から焼成温度で保持する期間が終了し冷却を開始する前まで実行するのが更に好ましい。   In the first and second alumina porous body production methods of the present invention, when the molded body is fired in an air atmosphere while adjusting the firing atmosphere so as to have a constant steam partial pressure, the adjustment of the steam partial pressure is For example, by measuring the dew point of the atmosphere discharged from the firing furnace where the firing is performed, the actual value of the steam partial pressure in the furnace is obtained, and the firing is performed so that the measured value matches the predetermined steam partial pressure. The amount of water vapor supplied to the furnace may be adjusted. The ability of such a firing furnace can be controlled in the range of the water vapor partial pressure in the range of 0.5 hPa to 40 hPa, and the water vapor variation at the maximum firing temperature holding time is plus or minus 3 hPa. For example, the firing temperature is preferably set in the range of 1000 to 1600 ° C, more preferably in the range of 1300 to 1400 ° C. Such adjustment of water vapor is preferably performed at least after the temperature rise to the firing temperature is completed until the period for holding at the firing temperature is completed, and after the degreasing is completed, the period for holding at the firing temperature is completed. It is more preferable to carry out until the cooling period is started after the period of holding at the firing temperature from the start of temperature rise ends.

本発明の第1及び第2のアルミナ多孔体の製法において、多孔質性状の一つであるガス拡散抵抗は、酸素イオン伝導性セラミックスの両面に電極を設け、一方の電極を今回のアルミナ多孔体からなる保護膜で覆ったあと、両電極間に電圧を印加して大気雰囲気で限界電流を測定し、そのときの関係式から求めることができる。すなわち、ガス拡散抵抗Rdを拡散路長さ/拡散路断面積とすると、以下の式(1)が成り立つことが知られているため、この式(1)から求めることができる。
Rd=4FD(Po−Pe)/Ip・R・T …(1)
(Fはファラデー定数(96490C/mol)、Dは酸素分子の拡散定数(1.68cm2/sec)、Poは被測定ガスの酸素分圧(大気中のため0.21atm)、Peは保護膜内測定電極近傍の酸素分圧(限界電流を求めるためゼロ)、Ipは限界電流値、Rは気体定数(82.05atm・cm3/mol)、Tは雰囲気温度)
In the first and second alumina porous body manufacturing methods of the present invention, gas diffusion resistance, which is one of the porous properties, is provided with electrodes on both surfaces of oxygen ion conductive ceramics, and one electrode is used as the alumina porous body of this time. After covering with a protective film made of, a voltage is applied between both electrodes, a limit current is measured in an air atmosphere, and it can be obtained from the relational expression at that time. That is, when the gas diffusion resistance Rd is defined as diffusion path length / diffusion path cross-sectional area, it is known that the following expression (1) is established, and can be obtained from this expression (1).
Rd = 4FD (Po-Pe) / Ip · R · T (1)
(F is the Faraday constant (96490 C / mol), D is the diffusion constant of oxygen molecules (1.68 cm 2 / sec), Po is the oxygen partial pressure of the gas to be measured (in the atmosphere, 0.21 atm), Pe is the protective film Oxygen partial pressure in the vicinity of the inner measurement electrode (zero to determine the limit current), Ip is the limit current value, R is the gas constant (82.05 atm · cm 3 / mol), T is the ambient temperature)

本発明の第2のアルミナ多孔体の製法において、焼成時の水蒸気分圧と、アルミナ粉末と造孔剤との混合割合と、得られるアルミナ多孔体のガス拡散抵抗との3者の関係を求める。この3者の関係は、例えば、アルミナ粉末と造孔剤との混合割合として複数の割合r1,r2,…を定め、燃焼時の水蒸気分圧として複数の圧力Ps1,Ps2,…を定め、各割合につき焼結時の水蒸気分圧が圧力Ps1,Ps2,…となるように焼結を順次実施し、得られたアルミナ多孔体のガス拡散抵抗Rdを測定することにより得られる。   In the second method for producing a porous alumina body of the present invention, a three-way relationship between the water vapor partial pressure during firing, the mixing ratio of the alumina powder and the pore former, and the gas diffusion resistance of the resulting alumina porous body is obtained. . The relationship between the three is, for example, that a plurality of ratios r1, r2,... Are defined as a mixing ratio of alumina powder and pore former, and a plurality of pressures Ps1, Ps2,. Sintering is sequentially performed so that the water vapor partial pressure during sintering becomes the pressure Ps1, Ps2,... Per ratio, and the gas diffusion resistance Rd of the obtained alumina porous body is measured.

本発明の第1及び第2のアルミナ多孔体の製法において、得られるアルミナ多孔体は、特に限定するものではないが、ガスセンサの電極保護膜として利用可能である。ガスセンサとしては、例えば炭化水素(HC)、水素(H2)、一酸化炭素(CO)、アンモニア(NH3)、窒素酸化物(NOx)などを測定するセンサが挙げられる。 In the first and second alumina porous body production methods of the present invention, the resulting alumina porous body is not particularly limited, but can be used as an electrode protective film of a gas sensor. Examples of the gas sensor include a sensor that measures hydrocarbon (HC), hydrogen (H 2 ), carbon monoxide (CO), ammonia (NH 3 ), nitrogen oxide (NOx), and the like.

本発明の第1及び第2のアルミナ多孔体の製法を、粒子間埋込法に採用してもよい。粒子間埋込法とは、骨材として機能するアルミナ粒子(アルミナ骨材粉末という)と、このアルミナ骨材粉末よりも粒径が細かく造孔剤として機能するアルミナ粒子(アルミナ造孔剤という)とを混合し、アルミナ骨材粉末の相互間の空隙に複数のアルミナ造孔剤を埋め込んだ状態で焼結することにより、複数の連通気孔を有する気体透過性のアルミナ多孔体を得る方法である。アルミナ骨材粉末としては、粒径が0.1〜0.7μm、好ましくは0.2〜0.5μmで、球形度が0.7〜1.0、好ましくは、0.8〜1.0のアルミナ粒子を用いる。アルミナ造孔剤としては、粒径が0.01〜0.1μm、好ましくは0.01〜0.05μmのアルミナ粒子を用いる。焼成温度は、1200〜1400℃、好ましくは1300〜1380℃とする。これらの条件を満足した場合、連通気孔の気孔径が、400〜1100Å、好ましくは500〜900Åで、気孔率が、4〜16%、好ましくは9〜14%であるアルミナ多孔体を得ることができる。こうした粒子間埋込法においても、製造ロットが異なると多孔質性状(例えばガス拡散抵抗)が大きくばらつくことがあった。そこで、本発明の第1及び第2のアルミナ多孔体の製法を、この粒子間埋込法に採用したところ、そのような多孔質性状のばらつきを抑えることができた。   You may employ | adopt the manufacturing method of the 1st and 2nd alumina porous body of this invention for the interparticle embedding method. The interparticle embedding method includes alumina particles functioning as an aggregate (referred to as alumina aggregate powder) and alumina particles functioning as a pore-forming agent with a finer particle size than the alumina aggregate powder (referred to as alumina pore-forming agent). Are mixed and sintered in a state where a plurality of alumina pore-forming agents are embedded in the gaps between the alumina aggregate powders, thereby obtaining a gas-permeable porous alumina body having a plurality of continuous air holes. . The alumina aggregate powder has a particle size of 0.1 to 0.7 μm, preferably 0.2 to 0.5 μm, and a sphericity of 0.7 to 1.0, preferably 0.8 to 1.0. The alumina particles are used. As the alumina pore-forming agent, alumina particles having a particle size of 0.01 to 0.1 μm, preferably 0.01 to 0.05 μm are used. The firing temperature is 1200 to 1400 ° C, preferably 1300 to 1380 ° C. When these conditions are satisfied, it is possible to obtain an alumina porous body having a pore diameter of 400 to 1100 mm, preferably 500 to 900 mm, and a porosity of 4 to 16%, preferably 9 to 14%. it can. Even in such an interparticle embedding method, the porous property (for example, gas diffusion resistance) may vary greatly if the production lot is different. Therefore, when the first and second porous alumina manufacturing methods of the present invention were employed in the interparticle embedding method, such variations in porous properties could be suppressed.

こうした粒子間埋込法において、アルミナ骨材粉末の粒径が0.1〜0.7μmの範囲を外れ、また球形度が0.7〜1.0の範囲を外れると、アルミナ骨材粉末の凝集性が増大、もしくは、焼結度が甘くなり、焼結によって得られるアルミナ多孔体の気孔径及び気孔率の大きさにバラツキを発生させるおそれがある。また、アルミナ造孔剤の粒径が0.01〜0.1μmの範囲を外れると、アルミナ造孔剤の焼結時の焼結性の程度が好ましい範囲を外れることになり、焼結によって得られるアルミナ多孔体の気孔径及び気孔率の特性にバラツキを発生させるおそれがある。この意味で、アルミナ造孔剤の場合も、球形度が0.7〜1.0であることが好ましく、0.8〜1.0であることがさらに好ましい。また、焼成温度が1200〜1400℃の範囲を外れると、焼成不足もしくは焼成過度となり必要とする気孔特性を得ることができない。更に、得られるアルミナ多孔体の気孔分布(気孔径の分布幅)は、300〜1100Åであることが好ましく、500〜1100Åであることがさらに好ましい。この範囲を外れると、汚染物質(ガソリン添加剤等)をトラップする機能の低下、ガスの通気性低下を招くおそれがある。アルミナ骨材粉末及びアルミナ造孔剤としては、上述の粒径及び球形度の範囲を満たし、均一な粒径で均一な形状のものであれば特に制限はないが、例えば、α−アルミナ、γ−アルミナ等を挙げることができる。アルミナ骨材粉末の相互間の空隙に複数のアルミナ造孔剤を埋め込んだ状態とする具体的な方法としては、例えば、アルミナ骨材粉末とアルミナ造孔剤とを混合した混合アルミナを有機バインダー液に分散させたスラリーを塗布したり、混合アルミナを圧粉成形することを挙げることができる。この場合、アルミナ骨材粉末とアルミナ造孔剤との混合割合はアルミナ造孔剤をアルミナ骨材粉末に対して、3.4〜5.6重量%混合することが好ましく、3.6〜4.7重量%混合するのがより好ましい。また、アルミナ造孔剤は、上述したようにアルミナであってもよいが、アルミナ前駆体(焼成段階でアルミナに変化するもの)であってもよい。   In such an interparticle embedding method, when the particle size of the alumina aggregate powder is out of the range of 0.1 to 0.7 μm and the sphericity is out of the range of 0.7 to 1.0, the alumina aggregate powder There is a possibility that the cohesiveness is increased or the degree of sintering becomes sweet and the pore diameter and the porosity of the alumina porous body obtained by sintering may vary. Further, if the particle size of the alumina pore-forming agent is out of the range of 0.01 to 0.1 μm, the degree of sinterability at the time of sintering the alumina pore-forming agent is out of the preferred range, which is obtained by sintering. There is a risk of causing variations in the pore diameter and porosity characteristics of the resulting alumina porous body. In this sense, the alumina pore-forming agent also preferably has a sphericity of 0.7 to 1.0, and more preferably 0.8 to 1.0. On the other hand, if the firing temperature is outside the range of 1200 to 1400 ° C., the necessary pore characteristics cannot be obtained due to insufficient firing or excessive firing. Furthermore, the pore distribution (pore diameter distribution width) of the obtained alumina porous body is preferably 300 to 1100 、, and more preferably 500 to 1100 Å. Outside this range, the function of trapping pollutants (such as gasoline additives) may be deteriorated, and the gas permeability may be reduced. The alumina aggregate powder and the alumina pore-forming agent are not particularly limited as long as they satisfy the above-mentioned range of particle size and sphericity and have a uniform particle size and a uniform shape. For example, α-alumina, γ -Alumina etc. can be mentioned. As a specific method for making a plurality of alumina pore-forming agents embedded in the gaps between the alumina aggregate powders, for example, mixed alumina obtained by mixing alumina aggregate powder and alumina pore-forming agent is used as an organic binder liquid. Examples of the method include applying the slurry dispersed in the mixture and compacting the mixed alumina. In this case, the mixing ratio of the alumina aggregate powder and the alumina pore-forming agent is preferably such that the alumina pore-forming agent is mixed in an amount of 3.4 to 5.6% by weight with respect to the alumina aggregate powder. More preferably, 7% by weight is mixed. The alumina pore-forming agent may be alumina as described above, but may be an alumina precursor (which changes to alumina in the firing stage).

ガスセンサ100の断面図である。1 is a cross-sectional view of a gas sensor 100. FIG. ガスセンサ100を作製する際の処理の流れを示すフローチャートである。3 is a flowchart showing a flow of processing when manufacturing the gas sensor 100. センサ素子201を備えるガスセンサ200の先端部分の構成を概略的に示す断面図である。3 is a cross-sectional view schematically showing a configuration of a tip portion of a gas sensor 200 including a sensor element 201. FIG. 比較例1における、アルミナ粉末に対する造孔剤の混合割合とガス拡散抵抗との関係を示すグラフである。4 is a graph showing the relationship between the mixing ratio of a pore forming agent to alumina powder and gas diffusion resistance in Comparative Example 1. 実施例1における、アルミナ粉末に対する造孔剤の混合割合と、焼成時の水蒸気分圧と、ガス拡散抵抗との関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the mixing ratio of the pore making material with respect to alumina powder in Example 1, the water vapor partial pressure at the time of baking, and gas diffusion resistance. 比較例2のHC濃度と検出電流との関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the HC density | concentration of Comparative Example 2, and detection electric current. 実施例2のHC濃度と検出電流との関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between HC density | concentration of Example 2 and a detection electric current. 比較例3における、アルミナ粉末に対する造孔剤の混合割合とガス拡散抵抗との関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the mixing rate of the pore making material with respect to an alumina powder, and gas diffusion resistance in the comparative example 3. 実施例3における、アルミナ粉末に対する造孔剤の混合割合と、焼成時の水蒸気分圧と、ガス拡散抵抗との関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the mixing ratio of the pore making material with respect to the alumina powder in Example 3, the water vapor partial pressure at the time of baking, and gas diffusion resistance. 比較例4と実施例4の検出電流のバラツキを示すグラフである。It is a graph which shows the variation in the detection current of the comparative example 4 and Example 4. FIG.

[第1実施形態]
次に、本発明の好適な実施形態について図面を用いて以下に説明する。図1は、本実施形態のガスセンサ100の断面図である。
[First Embodiment]
Next, preferred embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. FIG. 1 is a cross-sectional view of a gas sensor 100 of the present embodiment.

ガスセンサ100は、可燃ガス成分を検出可能なものであり、酸素イオン伝導性を持つ第1〜第6固体電解質層104a〜104fが積層されて板状に形成されたものである。第1及び第3固体電解質層104a,104cは、空所のない一様な平板であるが、第2固体電解質層104bは、空所106を有している。空所106は、セラミックス多孔体からなる拡散律速通路112を介して外部から被測定ガスが流入可能となっている。第4固体電解質層104dは、大気が導入される基準通路110を有している。第5及び第6固体電解質層104e,104fは、空所のない一様な平板であるが、両者の間にはヒータ142が挟持されている。このヒータ142は、空所106の全体にわたって設けられており、図示しない端子を通じて電源が供給されるようになっている。また、ヒータ142の上下両面には、図示しないが固体電解質層との電気的な絶縁を確保するためにアルミナ等のセラミックス層が設けられている。   The gas sensor 100 can detect a combustible gas component, and is formed in a plate shape by laminating first to sixth solid electrolyte layers 104a to 104f having oxygen ion conductivity. The first and third solid electrolyte layers 104 a and 104 c are uniform flat plates without voids, but the second solid electrolyte layer 104 b has voids 106. A gas to be measured can flow into the void 106 from the outside through a diffusion-controlled passage 112 made of a ceramic porous body. The fourth solid electrolyte layer 104d has a reference passage 110 into which air is introduced. The fifth and sixth solid electrolyte layers 104e and 104f are uniform flat plates without voids, but a heater 142 is sandwiched between them. The heater 142 is provided over the entire space 106, and power is supplied through a terminal (not shown). Further, although not shown, ceramic layers such as alumina are provided on the upper and lower surfaces of the heater 142 in order to ensure electrical insulation from the solid electrolyte layer.

また、ガスセンサ100は、第1ポンプセルP1と第1センサセルS1とを備えている。第1ポンプセルP1は、空所106の上流側にて第1固体電解質層104aの裏面に設けられた第1内側ポンプ電極116と、第1固体電解質層104aの表面に設けられた第1外側ポンプ電極118と、両電極116,118に挟まれた第1固体電解質層104aと、両電極116,118間に電圧を印加する可変電源120とで構成されている。第1外側ポンプ電極118は、電極保護膜119によって被覆されている。この電極保護膜119は、予め設計された所定のガス拡散抵抗を持つように、本発明のアルミナ多孔体の製法によって作製されたものである。第1ポンプセルP1の両電極116,118に、第1外側ポンプ電極118から第1内側ポンプ電極116に電流が流れるように可変電源120の電圧を印加すると、空所106内の酸素は酸素イオンとなって第1内側ポンプ電極116から第1固体電解質層104aを経て第1外側ポンプ電極118へと汲み出される。一方、第1センサセルS1は、空所106の内側ポンプ電極116より下流側にて第3固体電解質層104cの表面に設けられた測定電極122と、第3固体電解質層104cの裏面であって基準通路110に露出している基準電極124と、両電極122,124に挟まれた第3固体電解質層104cと、両電極122,124の電位差を測定する電位差計126とで構成されている。空所106と基準通路110との間に酸素濃度差が生じると、第1センサセルS1の測定電極122と基準電極124との間に起電力が発生する。この起電力を電位差計126で測定することにより、空所106の酸素分圧を検出することができる。そして、この酸素分圧の値に基づいて可変電源120の電圧を制御することにより、空所106の酸素分圧が所定の低い値(例えば10-20atm)に保持される。なお、各電極116,118,122,124としては、例えば、電極金属としての白金とセラミックスとしてのジルコニアとからなるサーメット電極を用いることができる。 The gas sensor 100 includes a first pump cell P1 and a first sensor cell S1. The first pump cell P1 includes a first inner pump electrode 116 provided on the back surface of the first solid electrolyte layer 104a on the upstream side of the void 106, and a first outer pump provided on the surface of the first solid electrolyte layer 104a. The electrode 118, the first solid electrolyte layer 104 a sandwiched between the electrodes 116, 118, and the variable power source 120 that applies a voltage between the electrodes 116, 118 are configured. The first outer pump electrode 118 is covered with an electrode protective film 119. This electrode protective film 119 is produced by the method for producing a porous alumina body of the present invention so as to have a predetermined gas diffusion resistance designed in advance. When the voltage of the variable power source 120 is applied to both electrodes 116 and 118 of the first pump cell P1 so that a current flows from the first outer pump electrode 118 to the first inner pump electrode 116, oxygen in the void 106 becomes oxygen ions. Thus, the liquid is pumped from the first inner pump electrode 116 to the first outer pump electrode 118 through the first solid electrolyte layer 104a. On the other hand, the first sensor cell S1 is the measurement electrode 122 provided on the surface of the third solid electrolyte layer 104c on the downstream side of the inner pump electrode 116 of the void 106, and the back surface of the third solid electrolyte layer 104c. The reference electrode 124 exposed in the passage 110, the third solid electrolyte layer 104 c sandwiched between the electrodes 122 and 124, and a potentiometer 126 that measures the potential difference between the electrodes 122 and 124. When a difference in oxygen concentration occurs between the void 106 and the reference passage 110, an electromotive force is generated between the measurement electrode 122 and the reference electrode 124 of the first sensor cell S1. By measuring this electromotive force with the potentiometer 126, the oxygen partial pressure in the void 106 can be detected. Then, by controlling the voltage of the variable power source 120 based on the value of the oxygen partial pressure, the oxygen partial pressure in the space 106 is maintained at a predetermined low value (for example, 10 −20 atm). In addition, as each electrode 116,118,122,124, the cermet electrode which consists of platinum as an electrode metal and zirconia as ceramics can be used, for example.

更に、ガスセンサ100は、第2ポンプセルP2を備えている。第2ポンプセルP2は、空所106の最下流側にて第3固体電解質層104cの表面に設けられた第2内側ポンプ電極128と、第3固体電解質層104cの裏面にて基準通路110に露出している第2外側ポンプ電極130と、両電極128,130に挟まれた第3固体電解質層104cと、両電極128,130間に電圧を印加する直流電源132と、両電極128,130間に流れるポンプ電流を測定する電流計134とで構成されている。第2ポンプセルP2の両電極128,130に、第2ポンプセルP2の第2内側ポンプ電極128から第2外側ポンプ電極130に電流が流れるように電圧を印加すると、基準通路110内の酸素は酸素イオンとなって第2外側ポンプ電極130から第3固体電解質層104c、第2内側ポンプ電極128を経て空所106へ汲み入れられる。空所106に汲み入れられた酸素は、被測定ガス中の可燃ガスの燃焼反応によって消費される。なお、各電極128,130としては、上述したサーメット電極を用いることができる。   Further, the gas sensor 100 includes a second pump cell P2. The second pump cell P2 is exposed to the reference passage 110 at the second inner pump electrode 128 provided on the surface of the third solid electrolyte layer 104c on the most downstream side of the void 106 and on the back surface of the third solid electrolyte layer 104c. The second outer pump electrode 130, the third solid electrolyte layer 104c sandwiched between the electrodes 128, 130, the DC power source 132 for applying a voltage between the electrodes 128, 130, and the space between the electrodes 128, 130. And an ammeter 134 for measuring the pump current flowing through the. When a voltage is applied to both electrodes 128 and 130 of the second pump cell P2 such that a current flows from the second inner pump electrode 128 to the second outer pump electrode 130 of the second pump cell P2, oxygen in the reference passage 110 is oxygen ions. Thus, the air is pumped from the second outer pump electrode 130 to the void 106 through the third solid electrolyte layer 104 c and the second inner pump electrode 128. The oxygen pumped into the void 106 is consumed by the combustion reaction of the combustible gas in the measurement gas. As each of the electrodes 128 and 130, the cermet electrode described above can be used.

なお、このガスセンサ100と類似のガスセンサについては、特許第3450084号公報に詳しく説明されているため、必要に応じてこの公報を参照されたい。   Since a gas sensor similar to the gas sensor 100 is described in detail in Japanese Patent No. 3450084, refer to this publication as necessary.

次に、ガスセンサ100を用いて被測定ガスに含まれる可燃ガスの濃度を検出する原理について説明する。なお、便宜上、被測定ガスは、窒素ガスを主体とし、そこに酸素ガスと可燃ガスとして炭化水素ガスの1種であるプロパンガス(C38)とを混合したガスとして説明する。 Next, the principle of detecting the concentration of combustible gas contained in the gas to be measured using the gas sensor 100 will be described. For convenience, the gas to be measured will be described as a gas in which nitrogen gas is mainly used and oxygen gas and propane gas (C 3 H 8 ), which is a kind of hydrocarbon gas, are mixed therewith.

まず、ガスセンサ100を被測定ガス中に配置し、ヒータ142によってガスセンサ100を600℃に加熱する。すると、被測定ガスは、ガスセンサ100の拡散律速通路112を介して空所106へ流入する。第1ポンプセルP1の両電極116,118には、可変電源120の電圧が印加される。具体的には、第1センサセルS1の測定電極122と基準電極124との間の電位差計126の値が所定の低電圧になるように、つまり、空所106の酸素分圧が所定の低い値(例えば10-20atm)になるように、第1ポンプセルP1の両電極116,118に可変電源120の電圧が印加される。その結果、空所106内の酸素は酸素イオンとなって第1内側ポンプ電極116から第1固体電解質層104aを経て第1外側ポンプ電極118へと汲み出される。なお、このときの所定の低電圧は、被測定ガス中のプロパンガスが燃焼し得ないほど酸素分圧が低くなるように設定されている。これにより、空所106内の被測定ガスは、実質的に酸素ガスを含まない状態となる。 First, the gas sensor 100 is placed in the gas to be measured, and the gas sensor 100 is heated to 600 ° C. by the heater 142. Then, the gas to be measured flows into the void 106 through the diffusion-controlled passage 112 of the gas sensor 100. The voltage of the variable power source 120 is applied to both electrodes 116 and 118 of the first pump cell P1. Specifically, the value of the potentiometer 126 between the measurement electrode 122 and the reference electrode 124 of the first sensor cell S1 is set to a predetermined low voltage, that is, the oxygen partial pressure of the space 106 is set to a predetermined low value. The voltage of the variable power source 120 is applied to both electrodes 116 and 118 of the first pump cell P1 so as to be (for example, 10 −20 atm). As a result, the oxygen in the void 106 becomes oxygen ions and is pumped from the first inner pump electrode 116 to the first outer pump electrode 118 through the first solid electrolyte layer 104a. The predetermined low voltage at this time is set so that the oxygen partial pressure is so low that the propane gas in the gas to be measured cannot be combusted. As a result, the gas to be measured in the void 106 becomes substantially free of oxygen gas.

次いで、実質的に酸素ガスを含まないように処理された被測定ガスは、空所106の第2ポンプセルP2の第2内側ポンプ電極128に至る。第2ポンプセルP2の両電極128,130には、基準通路110から酸素が空所106に汲み入れられる方向に直流電源132の一定の電圧が印加される。これにより、第2内側ポンプ電極128には酸素が供給される。そして、このように供給される酸素によって被測定ガスに含まれる可燃ガスが燃焼し、酸素が消費される。第2ポンプセルP2の両電極128,130には、このときの酸素消費量に応じたポンプ電流が流れるため、電流計134のポンプ電流の値からその酸素消費量を求め、その酸素消費量から燃焼した可燃ガス量を求め、最終的に被測定ガス中の可燃ガス濃度を求めることができる。   Next, the gas to be measured that has been processed so as not to substantially contain oxygen gas reaches the second inner pump electrode 128 of the second pump cell P <b> 2 in the void 106. A constant voltage of the DC power source 132 is applied to both electrodes 128 and 130 of the second pump cell P2 in a direction in which oxygen is pumped from the reference passage 110 into the void 106. As a result, oxygen is supplied to the second inner pump electrode 128. The combustible gas contained in the gas to be measured is burned by the oxygen supplied in this way, and oxygen is consumed. Since the pump current according to the oxygen consumption at this time flows through both electrodes 128 and 130 of the second pump cell P2, the oxygen consumption is obtained from the pump current value of the ammeter 134, and combustion is performed from the oxygen consumption. The amount of combustible gas thus obtained can be obtained, and finally the concentration of combustible gas in the gas to be measured can be obtained.

次に、こうしたガスセンサ100の製法の一例を以下に説明する。図2は、ガスセンサ100を作製する際の処理の流れを示すフローチャートである。   Next, an example of a manufacturing method of such a gas sensor 100 will be described below. FIG. 2 is a flowchart showing a processing flow when the gas sensor 100 is manufactured.

ガスセンサ100を作製する場合、まず、パターンが形成されていないグリーンシートであるブランクシートを用意する(ステップS10)。ガスセンサ100は第1〜第6固体電解質層104a〜104fの6つの層から構成されているため、各層に対応させて6枚のブランクシートを用意する。ブランクシートには、印刷時や積層時の位置決めに用いる複数のシート穴が設けられている。このシート穴は、パンチング装置を用いた打ち抜き処理などにより予め形成されている。なお、ブランクシートのうち、対応する層が内部空間(空所106や基準通路110)を有している場合には、そのブランクシートにもその内部空間に相当する空間が設けられる。   When producing the gas sensor 100, first, a blank sheet which is a green sheet on which no pattern is formed is prepared (step S10). Since the gas sensor 100 includes six layers of the first to sixth solid electrolyte layers 104a to 104f, six blank sheets are prepared corresponding to each layer. The blank sheet is provided with a plurality of sheet holes used for positioning during printing or lamination. The sheet hole is formed in advance by a punching process using a punching device. In the blank sheet, when the corresponding layer has an internal space (the void 106 or the reference passage 110), the blank sheet is also provided with a space corresponding to the internal space.

続いて、それぞれのブランクシートに対して種々のパターンを形成するパターン印刷と、それに続く乾燥処理とを行う(ステップS20)。具体的には、パターン印刷により、第1内側ポンプ電極116,第1外側ポンプ電極118,測定電極122,基準電極124,第2内側ポンプ電極128,第2外側ポンプ電極130などの電極パターンや図示を省略している内部配線などが形成される。なお、第1固体電解質層104aに対応するブランクシートには、後工程において積層体を切断するときに切断位置の基準とされるカットマークも印刷される。各々のパターンの印刷は、それぞれの形成対象に要求される特性に応じて用意したパターン形成用ペーストを、公知のスクリーン印刷技術を利用してブランクシートに塗布することにより行われる。印刷後の乾燥処理については、公知の乾燥技術を利用可能であり、例えば75〜90℃の温度で大気雰囲気にて行うのが一般的である。   Subsequently, pattern printing for forming various patterns on each blank sheet and subsequent drying processing are performed (step S20). Specifically, electrode patterns such as the first inner pump electrode 116, the first outer pump electrode 118, the measurement electrode 122, the reference electrode 124, the second inner pump electrode 128, and the second outer pump electrode 130 are illustrated by pattern printing. An internal wiring or the like is omitted. The blank sheet corresponding to the first solid electrolyte layer 104a is also printed with a cut mark that serves as a reference for the cutting position when the laminated body is cut in a subsequent process. Each pattern is printed by applying a pattern-forming paste prepared according to the characteristics required for each object to be formed to a blank sheet using a known screen printing technique. About the drying process after printing, a well-known drying technique can be utilized, for example, it is common to carry out at the temperature of 75-90 degreeC in an atmospheric condition.

ここで、第1固体電解質層104aに対応するブランクシートには、第1外側ポンプ電極118となる印刷部分の上に電極保護膜119となるスラリーが印刷されるが、この点は本発明の特徴であるため、以下に詳説する。まず、電極保護膜119を作製するためのスラリーを調製する。このスラリーは、平均粒子径が0.1〜1.0μmのアルミナ粉末と、メラミンやメタクリル酸メチル等を主成分とする造孔剤とを予め定められた一定の混合割合で混合して混合原料とし、その混合原料を50重量部、有機バインダーを10重量部、沸点が200℃以上の有機溶剤を35重量部、可塑剤を5重量部含むものである。バインダーとしてはエチルセルロース系あるいはブチラール系の有機化合物が用いられる。有機溶剤としては、バインダーの溶解性の相性に応じて、例えばターピネオール、ブチルカルビトール、オクタノール等を用いることができる。また、可塑剤としては、例えばフタル酸エステルやアジピン酸エステル等の有機化合物を用いることができる。また、電極保護膜119を作製するためのスラリーのアルミナ粉末と造孔剤との混合割合は、電極保護膜119のガス拡散抵抗の設計値に応じて決定する。例えば、焼成時の水蒸気分圧と、アルミナ粉末と造孔剤との混合割合と、得られるアルミナ多孔体のガス拡散抵抗との3者の関係を予備実験により求めておき、今回製造しようとする電極保護膜119のガス拡散抵抗に対応する焼成時の水蒸気分圧及びアルミナ粉末と造孔剤との混合割合を、前出の3者の関係から読み出し、読み出した混合割合を採用する。そして、このスラリーを第1外側ポンプ電極118の印刷部分の上に厚さ10数μmとなるようにスクリーン印刷する。   Here, in the blank sheet corresponding to the first solid electrolyte layer 104a, the slurry that becomes the electrode protective film 119 is printed on the printed portion that becomes the first outer pump electrode 118. This is a feature of the present invention. Therefore, it will be described in detail below. First, a slurry for preparing the electrode protective film 119 is prepared. This slurry is a mixed raw material obtained by mixing alumina powder having an average particle diameter of 0.1 to 1.0 μm and a pore-forming agent mainly composed of melamine or methyl methacrylate at a predetermined predetermined mixing ratio. And 50 parts by weight of the mixed raw material, 10 parts by weight of the organic binder, 35 parts by weight of an organic solvent having a boiling point of 200 ° C. or higher, and 5 parts by weight of a plasticizer. As the binder, an ethylcellulose-based or butyral-based organic compound is used. As the organic solvent, for example, terpineol, butyl carbitol, octanol or the like can be used depending on the solubility compatibility of the binder. Moreover, as a plasticizer, organic compounds, such as a phthalic acid ester and adipic acid ester, can be used, for example. In addition, the mixing ratio of the alumina powder of the slurry for producing the electrode protective film 119 and the pore former is determined according to the design value of the gas diffusion resistance of the electrode protective film 119. For example, the three-way relationship between the partial pressure of water vapor at the time of firing, the mixing ratio of alumina powder and pore former, and the gas diffusion resistance of the resulting porous alumina body is determined by preliminary experiments, and this time the production is attempted. The water vapor partial pressure during firing corresponding to the gas diffusion resistance of the electrode protective film 119 and the mixing ratio of the alumina powder and the pore former are read out from the above three relationships, and the read out mixing ratio is adopted. Then, this slurry is screen-printed on the printed portion of the first outer pump electrode 118 so as to have a thickness of several tens of μm.

次いで、各層に対応する、ステップS20の処理後のシート同士を積層・接着するための接着用ペーストの印刷・乾燥処理を行う(ステップS30)。接着用ペーストの印刷には、公知のスクリーン印刷技術を利用可能であり、その後の乾燥処理についても、公知の乾燥技術を利用可能である。   Next, a printing / drying process of an adhesive paste for laminating and bonding the sheets after the process of step S20 corresponding to each layer is performed (step S30). A known screen printing technique can be used for printing the adhesive paste, and a known drying technique can also be used for the subsequent drying treatment.

次いで、接着用ペーストが印刷されたシートを所定の順序に積み重ねて所定の温度で所定の圧力を加えることで圧着させ、一の積層体とする圧着処理を行う(ステップS40)。具体的には、図示しない所定の積層治具に積層対象となるシートをシート穴により位置決めしつつ積み重ねて保持し、公知の油圧プレス機などの積層機によって積層治具ごと加熱・加圧することによって行う。加熱・加圧を行う圧力、温度、時間については、用いる積層機にも依存するものであるが、良好な積層が実現できるよう適宜の条件を設定すればよい。   Next, the sheets on which the adhesive paste is printed are stacked in a predetermined order and pressed by applying a predetermined pressure at a predetermined temperature to perform a pressing process to form a single laminate (step S40). Specifically, by stacking and holding the sheets to be stacked on a predetermined stacking jig (not shown) while positioning them with sheet holes, and heating and pressurizing the entire stacking jig with a stacking machine such as a known hydraulic press machine Do. The pressure, temperature, and time for performing heating and pressurization depend on the laminating machine to be used, but appropriate conditions may be set so that good lamination can be realized.

上述のようにして積層体が得られると、カットマークを参考にして積層体を切断し、ガスセンサ100の大きさを持つ小片に切り出す(ステップS50)。そして、切り出された小片を所定の条件で焼成することにより、ガスセンサ100を得る(ステップS60)。焼成は、大気雰囲気下で予め定められた一定の水蒸気分圧となるように調整しながら、1350〜1400℃の焼成温度で行う。このときの水蒸気分圧は、電極保護膜119を作製するためのスラリーのアルミナ粉末と造孔剤との混合割合を決定する際に、今回製造しようとする電極保護膜119のガス拡散抵抗に対応する焼成時の水蒸気分圧及びアルミナ粉末と造孔剤との混合割合を、前出の3者の関係から読み出したが、その読み出した水蒸気分圧を採用する。なお、脱脂は別工程とせず、焼成の中で併せて実施する。このため、焼成工程では、まず、昇温を開始してから所定の焼成温度に至るまでの間に脱脂が完了し、その後所定の焼成温度で保持している間にアルミナが焼成される。   When the laminated body is obtained as described above, the laminated body is cut with reference to the cut marks and cut into small pieces having the size of the gas sensor 100 (step S50). And the gas sensor 100 is obtained by baking the cut-out small piece on predetermined conditions (step S60). Firing is performed at a firing temperature of 1350 to 1400 ° C. while adjusting the water vapor partial pressure to be a predetermined predetermined pressure in an air atmosphere. The water vapor partial pressure at this time corresponds to the gas diffusion resistance of the electrode protective film 119 to be manufactured this time when determining the mixing ratio of the alumina powder of the slurry for producing the electrode protective film 119 and the pore former. The water vapor partial pressure during firing and the mixing ratio of the alumina powder and the pore forming agent were read out from the above three relationships, and the read out water vapor partial pressure is adopted. In addition, degreasing is not carried out as a separate step, but is also performed during firing. For this reason, in the firing step, first, degreasing is completed from the start of the temperature rise to the predetermined firing temperature, and then the alumina is fired while being held at the predetermined firing temperature.

以上詳述したガスセンサ100によれば、電極保護膜119は設計値どおりのガス拡散抵抗を有しているため、製造ロットにかかわらず被測定ガス中の可燃ガス濃度を精度よく検出することができる。すなわち、ガスセンサ100ごとにそのガス拡散抵抗のバラツキが大きい場合には、第1ポンプセルP1の性能にバラツキが生じ、ひいては被測定ガス中の可燃ガス濃度にバラツキが生じるため好ましくない。しかし、本実施形態では、電極保護膜119を作製するにあたり、アルミナ粉末と造孔剤とを予め定められた一定の混合割合で混合して混合原料とし、その混合原料を成形した成形体を、大気雰囲気下で予め定められた一定の水蒸気分圧となるように調整しながら所定の焼成温度で焼成しているため、ガスセンサ100の製造ロットが異なっていたとしても、電極保護膜119は同等のガス拡散抵抗を持つものとなっている。このため、第1ポンプセルP1の性能にバラツキが生じず、ひいては被測定ガス中の可燃ガス濃度のバラツキも小さく抑えることができる。なお、このばらつき抑制効果は、焼成時の水蒸気分圧を一定にすることで電極保護膜119表面近傍の焼結挙動を一定にできたことに起因していると考えられる。   According to the gas sensor 100 described in detail above, since the electrode protective film 119 has the gas diffusion resistance as designed, the combustible gas concentration in the gas to be measured can be accurately detected regardless of the production lot. . That is, if the gas diffusion resistance varies widely for each gas sensor 100, the performance of the first pump cell P1 varies, and consequently the combustible gas concentration in the gas to be measured varies, which is not preferable. However, in the present embodiment, when producing the electrode protective film 119, the alumina powder and the pore former are mixed at a predetermined fixed mixing ratio as a mixed raw material, and a molded body obtained by molding the mixed raw material is obtained. Since the firing is performed at a predetermined firing temperature while adjusting to a predetermined constant water vapor partial pressure in the air atmosphere, the electrode protective film 119 is equivalent even if the production lots of the gas sensor 100 are different. It has gas diffusion resistance. For this reason, the performance of the first pump cell P1 does not vary, and as a result, the variation of the combustible gas concentration in the gas to be measured can be suppressed to be small. This variation suppressing effect is thought to be due to the fact that the sintering behavior near the surface of the electrode protective film 119 can be made constant by making the water vapor partial pressure during firing constant.

[第2実施形態]
図3は、ガスセンサ200の構成の一例を概略的に示した断面模式図である。ガスセンサ200は、測定対象とするガス(被測定ガス)中の所定の窒素酸化物(NOx)を検出し、さらにはその濃度を測定するためのものである。
[Second Embodiment]
FIG. 3 is a schematic cross-sectional view schematically showing an example of the configuration of the gas sensor 200. The gas sensor 200 is for detecting a predetermined nitrogen oxide (NOx) in the gas to be measured (measurement gas) and measuring the concentration thereof.

センサ素子201は、それぞれがジルコニア(ZrO2)等の酸素イオン伝導性固体電解質層からなる第1基板層1と、第2基板層2と、第3基板層3と、第1固体電解質層4と、スペーサ層5と、第2固体電解質層6との6つの層が、図面視で下側からこの順に積層された構造を有する素子である。また、これら6つの層を形成する固体電解質は緻密な気密のものである。係るセンサ素子201は、例えば、各層に対応するセラミックスグリーンシートに所定の加工および回路パターンの印刷などを行った後にそれらを積層し、さらに、焼成して一体化させることによって製造される。 The sensor element 201 includes a first substrate layer 1, a second substrate layer 2, a third substrate layer 3, and a first solid electrolyte layer 4 each made of an oxygen ion conductive solid electrolyte layer such as zirconia (ZrO 2 ). The spacer layer 5 and the second solid electrolyte layer 6 are elements having a structure in which the layers are laminated in this order from the bottom in the drawing. The solid electrolyte forming these six layers is dense and airtight. The sensor element 201 is manufactured, for example, by performing predetermined processing and circuit pattern printing on a ceramic green sheet corresponding to each layer, laminating them, and firing and integrating them.

センサ素子201の一先端部であって、第2固体電解質層6の下面と第1固体電解質層4の上面との間には、ガス導入口10と、第1拡散律速部11と、緩衝空間12と、第2拡散律速部13と、第1内部空所20と、第3拡散律速部30と、第2内部空所40とが、この順に連通する態様にて隣接形成されてなる。   One end of the sensor element 201, and between the lower surface of the second solid electrolyte layer 6 and the upper surface of the first solid electrolyte layer 4, is a gas inlet 10, a first diffusion rate-limiting unit 11, and a buffer space. 12, the second diffusion rate limiting part 13, the first internal space 20, the third diffusion rate limiting part 30, and the second internal space 40 are adjacently formed in such a manner that they communicate in this order.

ガス導入口10と、緩衝空間12と、第1内部空所20と、第2内部空所40とは、スペーサ層5をくり抜いた態様にて設けられた上部を第2固体電解質層6の下面で、下部を第1固体電解質層4の上面で、側部をスペーサ層5の側面で区画されたセンサ素子201内部の空間である。   The gas introduction port 10, the buffer space 12, the first internal space 20, and the second internal space 40 are provided on the lower surface of the second solid electrolyte layer 6 with the upper portion provided in a state in which the spacer layer 5 is cut out. Thus, the space inside the sensor element 201 is defined by the lower part being the upper surface of the first solid electrolyte layer 4 and the side parts being the side surfaces of the spacer layer 5.

第1拡散律速部11と、第2拡散律速部13と、第3拡散律速部30とはいずれも、2本の横長の(図面に垂直な方向に開口が長手方向を有する)スリットとして設けられる。なお、ガス導入口10から第2内部空所40に至る部位をガス流通部とも称する。   Each of the first diffusion rate controlling unit 11, the second diffusion rate controlling unit 13, and the third diffusion rate controlling unit 30 is provided as two horizontally long slits (the opening has a longitudinal direction in a direction perpendicular to the drawing). . In addition, the site | part from the gas inlet 10 to the 2nd internal space 40 is also called a gas distribution part.

また、ガス流通部よりも先端側から遠い位置には、第3基板層3の上面と、スペーサ層5の下面との間であって、側部を第1固体電解質層4の側面で区画される位置に基準ガス導入空間43が設けられている。基準ガス導入空間43には、NOx濃度の測定を行う際の基準ガスとして、例えば大気が導入される。   Further, at a position farther from the front end side than the gas circulation part, the side part is partitioned by the side surface of the first solid electrolyte layer 4 between the upper surface of the third substrate layer 3 and the lower surface of the spacer layer 5. The reference gas introduction space 43 is provided at the position. For example, the atmosphere is introduced into the reference gas introduction space 43 as a reference gas when measuring the NOx concentration.

大気導入層48は、多孔質アルミナからなる層であって、大気導入層48には基準ガス導入空間43を通じて基準ガスが導入されるようになっている。また、大気導入層48は、基準電極42を被覆するように形成されている。   The atmosphere introduction layer 48 is a layer made of porous alumina, and the reference gas is introduced into the atmosphere introduction layer 48 through the reference gas introduction space 43. The air introduction layer 48 is formed so as to cover the reference electrode 42.

基準電極42は、第3基板層3の上面と第1固体電解質層4とに挟まれる態様にて形成される電極であり、上述のように、その周囲には、基準ガス導入空間43につながる大気導入層48が設けられている。また、後述するように、基準電極42を用いて第1内部空所20内や第2内部空所40内の酸素濃度(酸素分圧)を測定することが可能となっている。   The reference electrode 42 is an electrode formed in such a manner that it is sandwiched between the upper surface of the third substrate layer 3 and the first solid electrolyte layer 4. As described above, the reference electrode 42 leads to the reference gas introduction space 43. An air introduction layer 48 is provided. Further, as will be described later, it is possible to measure the oxygen concentration (oxygen partial pressure) in the first internal space 20 and the second internal space 40 using the reference electrode 42.

ガス流通部において、ガス導入口10は、外部空間に対して開口してなる部位であり、該ガス導入口10を通じて外部空間からセンサ素子201内に被測定ガスが取り込まれるようになっている。   In the gas circulation part, the gas inlet 10 is a part opened to the external space, and the gas to be measured is taken into the sensor element 201 from the external space through the gas inlet 10.

第1拡散律速部11は、ガス導入口10から取り込まれた被測定ガスに対して、所定の拡散抵抗を付与する部位である。   The first diffusion control unit 11 is a part that provides a predetermined diffusion resistance to the gas to be measured taken from the gas inlet 10.

緩衝空間12は、第1拡散律速部11より導入された被測定ガスを第2拡散律速部13へと導くために設けられた空間である。   The buffer space 12 is a space provided to guide the gas to be measured introduced from the first diffusion rate controlling unit 11 to the second diffusion rate controlling unit 13.

第2拡散律速部13は、緩衝空間12から第1内部空所20に導入される被測定ガスに対して、所定の拡散抵抗を付与する部位である。   The second diffusion rate limiting unit 13 is a part that imparts a predetermined diffusion resistance to the gas to be measured introduced from the buffer space 12 into the first internal space 20.

被測定ガスが、センサ素子201外部から第1内部空所20内まで導入されるにあたって、外部空間における被測定ガスの圧力変動(被測定ガスが自動車の排気ガスの場合であれば排気圧の脈動)によってガス導入口10からセンサ素子201内部に急激に取り込まれた被測定ガスは、直接第1内部空所20へ導入されるのではなく、第1拡散律速部11、緩衝空間12、第2拡散律速部13を通じて被測定ガスの濃度変動が打ち消された後、第1内部空所20へ導入されるようになっている。これによって、第1内部空間へ導入される被測定ガスの濃度変動はほとんど無視できる程度のものとなる。   When the gas to be measured is introduced from the outside of the sensor element 201 to the first internal space 20, the pressure fluctuation of the gas to be measured in the external space (if the gas to be measured is an automobile exhaust gas, the pulsation of the exhaust pressure) ), The gas to be measured that is suddenly taken into the sensor element 201 from the gas inlet 10 is not directly introduced into the first internal space 20, but the first diffusion control unit 11, the buffer space 12, and the second After the concentration variation of the gas to be measured is canceled through the diffusion control unit 13, the gas is introduced into the first internal space 20. As a result, the concentration fluctuation of the gas to be measured introduced into the first internal space is almost negligible.

第1内部空所20は、第2拡散律速部13を通じて導入された被測定ガス中の酸素分圧を調整するための空間として設けられている。係る酸素分圧は、主ポンプセル21が作動することによって調整される。   The first internal space 20 is provided as a space for adjusting the partial pressure of oxygen in the gas to be measured introduced through the second diffusion rate limiting unit 13. The oxygen partial pressure is adjusted by the operation of the main pump cell 21.

主ポンプセル21は、第1内部空所20に面する第2固体電解質層6の下面のほぼ全面に設けられた天井電極部22aを有する内側ポンプ電極22と、第2固体電解質層6の上面の天井電極部22aと対応する領域に外部空間に露出する態様にて設けられた外側ポンプ電極23と、これらの電極に挟まれた第2固体電解質層6とによって構成されてなる電気化学的ポンプセルである。   The main pump cell 21 includes an inner pump electrode 22 having a ceiling electrode portion 22a provided on substantially the entire lower surface of the second solid electrolyte layer 6 facing the first internal space 20, and an upper surface of the second solid electrolyte layer 6. An electrochemical pump cell comprising an outer pump electrode 23 provided in a manner exposed to the external space in a region corresponding to the ceiling electrode portion 22a, and a second solid electrolyte layer 6 sandwiched between these electrodes. is there.

内側ポンプ電極22は、第1内部空所20を区画する上下の固体電解質層(第2固体電解質層6および第1固体電解質層4)、および、側壁を与えるスペーサ層5にまたがって形成されている。具体的には、第1内部空所20の天井面を与える第2固体電解質層6の下面には天井電極部22aが形成され、また、底面を与える第1固体電解質層4の上面には底部電極部22bが形成され、そして、それら天井電極部22aと底部電極部22bとを接続するように、側部電極部(図示省略)が第1内部空所20の両側壁部を構成するスペーサ層5の側壁面(内面)に形成されて、該側部電極部の配設部位においてトンネル形態とされた構造において配設されている。   The inner pump electrode 22 is formed across the upper and lower solid electrolyte layers (the second solid electrolyte layer 6 and the first solid electrolyte layer 4) that define the first inner space 20, and the spacer layer 5 that provides side walls. Yes. Specifically, a ceiling electrode portion 22a is formed on the lower surface of the second solid electrolyte layer 6 that provides the ceiling surface of the first internal space 20, and a bottom portion is formed on the upper surface of the first solid electrolyte layer 4 that provides the bottom surface. Spacer layers in which the electrode portions 22b are formed and the side electrode portions (not shown) constitute both side walls of the first internal space 20 so as to connect the ceiling electrode portions 22a and the bottom electrode portions 22b. 5 is formed on the side wall surface (inner surface), and is disposed in a tunnel-shaped structure at the portion where the side electrode portion is disposed.

内側ポンプ電極22と外側ポンプ電極23とは、多孔質サーメット電極(例えば、Auを1%含むPtとZrO2とのサーメット電極)として形成される。なお、被測定ガスに接触する内側ポンプ電極22は、被測定ガス中のNOx成分に対する還元能力を弱めた材料を用いて形成される。 The inner pump electrode 22 and the outer pump electrode 23 are formed as a porous cermet electrode (for example, a cermet electrode of Pt and ZrO 2 containing 1% of Au). The inner pump electrode 22 in contact with the gas to be measured is formed using a material that has a reduced reduction ability for the NOx component in the gas to be measured.

主ポンプセル21においては、内側ポンプ電極22と外側ポンプ電極23との間に所望のポンプ電圧Vp0を印加して、内側ポンプ電極22と外側ポンプ電極23との間に正方向あるいは負方向にポンプ電流Ip0を流すことにより、第1内部空所20内の酸素を外部空間に汲み出し、あるいは、外部空間の酸素を第1内部空所20に汲み入れることが可能となっている。   In the main pump cell 21, a desired pump voltage Vp 0 is applied between the inner pump electrode 22 and the outer pump electrode 23, and the pump current is positive or negative between the inner pump electrode 22 and the outer pump electrode 23. By flowing Ip0, oxygen in the first internal space 20 can be pumped into the external space, or oxygen in the external space can be pumped into the first internal space 20.

また、第1内部空所20における雰囲気中の酸素濃度(酸素分圧)を検出するために、内側ポンプ電極22と、第2固体電解質層6と、スペーサ層5と、第1固体電解質4と、第3基板層3と、基準電極42によって、電気化学的なセンサセル、すなわち、主ポンプ制御用酸素分圧検出センサセル80が構成されている。   Further, in order to detect the oxygen concentration (oxygen partial pressure) in the atmosphere in the first internal space 20, the inner pump electrode 22, the second solid electrolyte layer 6, the spacer layer 5, the first solid electrolyte 4, The third substrate layer 3 and the reference electrode 42 constitute an electrochemical sensor cell, that is, an oxygen partial pressure detection sensor cell 80 for main pump control.

主ポンプ制御用酸素分圧検出センサセル80における起電力V0を測定することで第1内部空所20内の酸素濃度(酸素分圧)がわかるようになっている。さらに、起電力V0が一定となるようにVp0をフィードバック制御することでポンプ電流Ip0が制御されている。これによって、第1内部空所内20内の酸素濃度は所定の一定値に保つことができる。   By measuring the electromotive force V0 in the main pump control oxygen partial pressure detection sensor cell 80, the oxygen concentration (oxygen partial pressure) in the first internal space 20 can be known. Further, the pump current Ip0 is controlled by feedback control of Vp0 so that the electromotive force V0 is constant. Thereby, the oxygen concentration in the first internal space 20 can be kept at a predetermined constant value.

第3拡散律速部30は、第1内部空所20で主ポンプセル21の動作により酸素濃度(酸素分圧)が制御された被測定ガスに所定の拡散抵抗を付与して、該被測定ガスを第2内部空所40に導く部位である。   The third diffusion control unit 30 provides a predetermined diffusion resistance to the gas under measurement whose oxygen concentration (oxygen partial pressure) is controlled by the operation of the main pump cell 21 in the first internal space 20, and the gas under measurement is supplied to the gas under measurement. This is the part that leads to the second internal space 40.

第2内部空所40は、第3拡散律速部30を通じて導入された被測定ガス中の窒素酸化物(NOx)濃度の測定に係る処理を行うための空間として設けられている。NOx濃度の測定は、主として、補助ポンプセル50により酸素濃度が調整された第2内部空所40において、さらに、測定用ポンプセル41の動作によりNOx濃度が測定される。   The second internal space 40 is provided as a space for performing a process related to the measurement of the nitrogen oxide (NOx) concentration in the gas to be measured introduced through the third diffusion control unit 30. The NOx concentration is measured mainly in the second internal space 40 in which the oxygen concentration is adjusted by the auxiliary pump cell 50, and further by measuring the pump cell 41 for measurement.

第2内部空所40では、あらかじめ第1内部空所20において酸素濃度(酸素分圧)が調整された後、第3拡散律速部を通じて導入された被測定ガスに対して、さらに補助ポンプセル50による酸素分圧の調整が行われるようになっている。これにより、第2内部空所40内の酸素濃度を高精度に一定に保つことができるため、係るガスセンサ200においては精度の高いNOx濃度測定が可能となる。   In the second internal space 40, after the oxygen concentration (oxygen partial pressure) is adjusted in the first internal space 20 in advance, the auxiliary pump cell 50 further supplies the gas to be measured introduced through the third diffusion control unit. The oxygen partial pressure is adjusted. Thereby, since the oxygen concentration in the second internal space 40 can be kept constant with high accuracy, the gas sensor 200 can measure the NOx concentration with high accuracy.

補助ポンプセル50は、第2内部空所40に面する第2固体電解質層6の下面の略全体に設けられた天井電極部51aを有する補助ポンプ電極51と、外側ポンプ電極23(外側ポンプ電極23に限られるものではなく、センサ素子201と外側の適当な電極であれば足りる)と、第2固体電解質層6とによって構成される、補助的な電気化学的ポンプセルである。   The auxiliary pump cell 50 includes an auxiliary pump electrode 51 having a ceiling electrode portion 51a provided on substantially the entire lower surface of the second solid electrolyte layer 6 facing the second internal space 40, and an outer pump electrode 23 (outer pump electrode 23). The auxiliary electrochemical pump cell is configured by the second solid electrolyte layer 6 and the sensor element 201 and a suitable external electrode).

係る補助ポンプ電極51は、先の第1内部空所20内に設けられた内側ポンプ電極22と同様なトンネル形態とされた構造において、第2内部空所40内に配設されている。つまり、第2内部空所40の天井面を与える第2固体電解質層6に対して天井電極部51aが形成され、また、第2内部空所40の底面を与える第1固体電解質層4には、底部電極部51bが形成され、そして、それらの天井電極部51aと底部電極部51bとを連結する側部電極部(図示省略)が、第2内部空所40の側壁を与えるスペーサ層5の両壁面にそれぞれ形成されたトンネル形態の構造となっている。   The auxiliary pump electrode 51 is disposed in the second internal space 40 in the same tunnel configuration as the inner pump electrode 22 provided in the first internal space 20. That is, the ceiling electrode portion 51 a is formed on the second solid electrolyte layer 6 that provides the ceiling surface of the second internal space 40, and the first solid electrolyte layer 4 that provides the bottom surface of the second internal space 40 is formed on the first solid electrolyte layer 4. The bottom electrode part 51b is formed, and the side electrode part (not shown) connecting the ceiling electrode part 51a and the bottom electrode part 51b is provided on the spacer layer 5 that provides the side wall of the second internal space 40. It has a tunnel-type structure formed on both wall surfaces.

なお、補助ポンプ電極51についても、内側ポンプ電極22と同様に、被測定ガス中のNOx成分に対する還元能力を弱めた材料を用いて形成される。   Note that the auxiliary pump electrode 51 is also formed using a material having a reduced reducing ability with respect to the NOx component in the gas to be measured, like the inner pump electrode 22.

補助ポンプセル50においては、補助ポンプ電極51と外側ポンプ電極23との間に所望の電圧Vp1を印加することにより、第2内部空所40内の雰囲気中の酸素を外部空間に汲み出し、あるいは、外部空間から第2内部空所40内に汲み入れることが可能となっている。   In the auxiliary pump cell 50, by applying a desired voltage Vp1 between the auxiliary pump electrode 51 and the outer pump electrode 23, oxygen in the atmosphere in the second internal space 40 is pumped to the external space, or It is possible to pump into the second internal space 40 from the space.

また、第2内部空所40内における雰囲気中の酸素分圧を制御するために、補助ポンプ電極51と、基準電極42と、第2固体電解質層6と、スペーサ層5と、第1固体電解質層4と、第3基板層3とによって電気化学的なセンサセル、すなわち、補助ポンプ制御用酸素分圧検出センサセル81が構成されている。   Further, in order to control the oxygen partial pressure in the atmosphere in the second internal space 40, the auxiliary pump electrode 51, the reference electrode 42, the second solid electrolyte layer 6, the spacer layer 5, and the first solid electrolyte. The layer 4 and the third substrate layer 3 constitute an electrochemical sensor cell, that is, an auxiliary pump control oxygen partial pressure detection sensor cell 81.

なお、この補助ポンプ制御用酸素分圧検出センサセル81にて検出される起電力V1に基づいて電圧制御される可変電源52にて、補助ポンプセル50がポンピングを行う。これにより第2内部空所40内の雰囲気中の酸素分圧は、NOxの測定に実質的に影響がない低い分圧にまで制御されるようになっている。   The auxiliary pump cell 50 performs pumping by the variable power source 52 that is voltage-controlled based on the electromotive force V1 detected by the auxiliary pump control oxygen partial pressure detection sensor cell 81. Thereby, the oxygen partial pressure in the atmosphere in the second internal space 40 is controlled to a low partial pressure that does not substantially affect the measurement of NOx.

また、これとともに、そのポンプ電流Ip1が、主ポンプ制御用酸素分圧検出センサセル80の起電力の制御に用いられるようになっている。具体的には、ポンプ電流Ip1は、制御信号として主ポンプ制御用酸素分圧検出センサセル80に入力され、その起電力V0が制御されることにより、第3拡散律速部30から第2内部空所40内に導入される被測定ガス中の酸素分圧の勾配が常に一定となるように制御されている。NOxセンサとして使用する際は、主ポンプセル21と補助ポンプセル50との働きによって、第2内部空所40内での酸素濃度は約0.001ppm程度の一定の値に保たれる。   At the same time, the pump current Ip1 is used to control the electromotive force of the oxygen partial pressure detection sensor cell 80 for main pump control. Specifically, the pump current Ip1 is input as a control signal to the main pump control oxygen partial pressure detection sensor cell 80, and the electromotive force V0 is controlled, so that the third diffusion rate limiting unit 30 controls the second internal space. The gradient of the oxygen partial pressure in the gas to be measured introduced into the gas 40 is controlled so as to be always constant. When used as a NOx sensor, the oxygen concentration in the second internal space 40 is maintained at a constant value of about 0.001 ppm by the action of the main pump cell 21 and the auxiliary pump cell 50.

測定用ポンプセル41は、第2内部空所40内において、被測定ガス中のNOx濃度の測定を行う。測定用ポンプセル41は、第2内部空所40に面する第1固体電解質層4の上面であって第3拡散律速部30から離間した位置に設けられた測定電極44と、外側ポンプ電極23と、第2固体電解質層6と、スペーサ層5と、第1固体電解質層4とによって構成された電気化学的ポンプセルである。   The measurement pump cell 41 measures the NOx concentration in the gas to be measured in the second internal space 40. The measurement pump cell 41 includes a measurement electrode 44 provided on a top surface of the first solid electrolyte layer 4 facing the second internal space 40 and spaced from the third diffusion rate-determining portion 30, an outer pump electrode 23, The electrochemical pump cell is constituted by the second solid electrolyte layer 6, the spacer layer 5, and the first solid electrolyte layer 4.

測定電極44は、多孔質サーメット電極である。測定電極44は、第2内部空所40内の雰囲気中に存在するNOxを還元するNOx還元触媒としても機能する。さらに、測定電極44は、電極保護膜45によって被覆されてなる。   The measurement electrode 44 is a porous cermet electrode. The measurement electrode 44 also functions as a NOx reduction catalyst that reduces NOx present in the atmosphere in the second internal space 40. Further, the measurement electrode 44 is covered with an electrode protective film 45.

電極保護膜45は、アルミナ(Al23)を主成分とする多孔体にて構成される膜である。電極保護膜45は、測定電極44に流入するNOxの量を制限する役割を担うとともに、測定電極44の保護膜としても機能する。測定用ポンプセル41においては、測定電極44の周囲の雰囲気中における窒素酸化物の分解によって生じた酸素を汲み出して、その発生量をポンプ電流Ip2として検出することができる。この電極保護膜45は、予め設計された所定のガス拡散抵抗を持つように、本発明のアルミナ多孔体の製法によって作製されたものである。 The electrode protective film 45 is a film composed of a porous body mainly composed of alumina (Al 2 O 3 ). The electrode protective film 45 serves to limit the amount of NOx flowing into the measurement electrode 44 and also functions as a protective film for the measurement electrode 44. In the measurement pump cell 41, oxygen generated by the decomposition of nitrogen oxides in the atmosphere around the measurement electrode 44 can be pumped out, and the generated amount can be detected as the pump current Ip2. The electrode protective film 45 is produced by the method for producing a porous alumina body of the present invention so as to have a predetermined gas diffusion resistance designed in advance.

また、測定電極44の周囲の酸素分圧を検出するために、第2固体電解層6と、スペーサ層5と、第1固体電解質層4と、第3基板層3と、測定電極44と、基準電極42とによって電気化学的なセンサセル、すなわち、測定用ポンプ制御用酸素分圧検出センサセル82が構成されている。測定用ポンプ制御用酸素分圧検出センサセル82にて検出された起電力V2に基づいて可変電源46が制御される。   Further, in order to detect the oxygen partial pressure around the measurement electrode 44, the second solid electrolyte layer 6, the spacer layer 5, the first solid electrolyte layer 4, the third substrate layer 3, the measurement electrode 44, An electrochemical sensor cell, that is, an oxygen partial pressure detecting sensor cell 82 for controlling a measurement pump is constituted by the reference electrode 42. The variable power supply 46 is controlled on the basis of the electromotive force V2 detected by the measurement pump control oxygen partial pressure detection sensor cell 82.

第2内部空所40内に導かれた被測定ガスは、酸素分圧が制御された状況下で電極保護膜45を通じて測定電極44に到達することとなる。測定電極44の周囲の被測定ガス中の窒素酸化物は還元されて(2NO→N2+O2)酸素を発生する。そして、この発生した酸素は測定用ポンプセル41によってポンピングされることとなるが、その際、測定用ポンプ制御用酸素分圧検出センサセル82にて検出された制御電圧V2が一定となるように可変電源の電圧Vp2が制御される。測定電極44の周囲において発生する酸素の量は、被測定ガス中の窒素酸化物の濃度に比例するものであるから、測定用ポンプセル41におけるポンプ電流Ip2を用いて被測定ガス中の窒素酸化物濃度が算出されることとなる。 The gas to be measured introduced into the second internal space 40 reaches the measurement electrode 44 through the electrode protective film 45 under a condition in which the oxygen partial pressure is controlled. Nitrogen oxide in the gas to be measured around the measurement electrode 44 is reduced (2NO → N 2 + O 2 ) to generate oxygen. The generated oxygen is pumped by the measurement pump cell 41. At this time, the variable power source is set so that the control voltage V2 detected by the measurement pump control oxygen partial pressure detection sensor cell 82 becomes constant. The voltage Vp2 is controlled. Since the amount of oxygen generated around the measurement electrode 44 is proportional to the concentration of nitrogen oxide in the gas to be measured, the nitrogen oxide in the gas to be measured using the pump current Ip2 in the measurement pump cell 41. The concentration will be calculated.

また、測定電極44と、第1固体電解質層4と、第3基板層3と基準電極42を組み合わせて、電気化学的センサセルとして酸素分圧検出手段を構成するようにすれば、測定電極44の周りの雰囲気中のNOx成分の還元によって発生した酸素の量と基準大気に含まれる酸素の量との差に応じた起電力を検出することができ、これによって被測定ガス中のNOx成分の濃度を求めることも可能である。   In addition, if the measurement electrode 44, the first solid electrolyte layer 4, the third substrate layer 3, and the reference electrode 42 are combined to form an oxygen partial pressure detecting means as an electrochemical sensor cell, The electromotive force according to the difference between the amount of oxygen generated by the reduction of the NOx component in the surrounding atmosphere and the amount of oxygen contained in the reference atmosphere can be detected, thereby the concentration of the NOx component in the gas to be measured Is also possible.

また、第2固体電解質層6と、スペーサ層5と、第1固体電解質層4と、第3基板層3と、外側ポンプ電極23と、基準電極42とから電気化学的なセンサセル83が構成されており、このセンサセル83によって得られる起電力Vrefによりセンサ外部の被測定ガス中の酸素分圧を検出可能となっている。   The second solid electrolyte layer 6, the spacer layer 5, the first solid electrolyte layer 4, the third substrate layer 3, the outer pump electrode 23, and the reference electrode 42 constitute an electrochemical sensor cell 83. The oxygen partial pressure in the gas to be measured outside the sensor can be detected by the electromotive force Vref obtained by the sensor cell 83.

このような構成を有するガスセンサ200においては、主ポンプセル21と補助ポンプセル50とを作動させることによって酸素分圧が常に一定の低い値(NOxの測定に実質的に影響がない値)に保たれた被測定ガスが測定用ポンプセル41に与えられる。したがって、被測定ガス中のNOxの濃度に略比例して、NOxの還元によって発生する酸素が測定用ポンプセル41より汲み出されることによって流れるポンプ電流Ip2に基づいて、被測定ガス中のNOx濃度を知ることができるようになっている。   In the gas sensor 200 having such a configuration, by operating the main pump cell 21 and the auxiliary pump cell 50, the oxygen partial pressure is always kept at a constant low value (a value that does not substantially affect the measurement of NOx). A gas to be measured is supplied to the measurement pump cell 41. Therefore, the NOx concentration in the measurement gas is determined based on the pump current Ip2 that flows when oxygen generated by the reduction of NOx is pumped out of the measurement pump cell 41 in proportion to the NOx concentration in the measurement gas. You can know.

さらに、センサ素子201は、固体電解質の酸素イオン伝導性を高めるために、センサ素子201を加熱して保温する温度調整の役割を担うヒータ部70を備えている。ヒータ部70は、ヒータ電極71と、ヒータ72と、スルーホール73と、ヒータ絶縁層74、圧力放散孔75とを備えている。   Further, the sensor element 201 includes a heater unit 70 that plays a role of temperature adjustment for heating and maintaining the sensor element 201 in order to increase the oxygen ion conductivity of the solid electrolyte. The heater unit 70 includes a heater electrode 71, a heater 72, a through hole 73, a heater insulating layer 74, and a pressure dissipation hole 75.

ヒータ電極71は、第1基板層1の下面に接する態様にて形成されてなる電極である。ヒータ電極71を外部電源と接続することによって、外部からヒータ部70へ給電することができるようになっている。   The heater electrode 71 is an electrode formed so as to be in contact with the lower surface of the first substrate layer 1. By connecting the heater electrode 71 to an external power source, power can be supplied to the heater unit 70 from the outside.

ヒータ72は、第2基板層2と第3基板層3とに上下から挟まれた態様にて形成される電気抵抗体である。ヒータ72は、スルーホール73を介してヒータ電極71と接続されており、該ヒータ電極71を通して外部より給電されることにより発熱し、センサ素子201を形成する固体電解質の加熱と保温を行う。   The heater 72 is an electric resistor formed in a form sandwiched between the second substrate layer 2 and the third substrate layer 3 from above and below. The heater 72 is connected to the heater electrode 71 through the through hole 73, generates heat by being supplied with power from the outside through the heater electrode 71, and heats and keeps the solid electrolyte forming the sensor element 201.

また、ヒータ72は、第1内部空所20から第2内部空所40の全域に渡って埋設されており、センサ素子201全体を上記固体電解質が活性化する温度に調整することが可能となっている。   The heater 72 is embedded over the entire area from the first internal space 20 to the second internal space 40, and the entire sensor element 201 can be adjusted to a temperature at which the solid electrolyte is activated. ing.

ヒータ絶縁層74は、ヒータ72の上下面に、アルミナ等の絶縁体によって形成されてなる絶縁層である。ヒータ絶縁層74は、第2基板層2とヒータ72との間の電気的絶縁性、および、第3基板層3とヒータ72との間の電気的絶縁性を得る目的で形成されている。   The heater insulating layer 74 is an insulating layer formed on the upper and lower surfaces of the heater 72 by an insulator such as alumina. The heater insulating layer 74 is formed for the purpose of obtaining electrical insulation between the second substrate layer 2 and the heater 72 and electrical insulation between the third substrate layer 3 and the heater 72.

圧力放散孔75は、第3基板層3を貫通し、基準ガス導入空間43に連通するように設けられてなる部位であり、ヒータ絶縁層74内の温度上昇に伴う内圧上昇を緩和する目的で形成されてなる。   The pressure dissipating hole 75 is a portion that is provided so as to penetrate the third substrate layer 3 and communicate with the reference gas introduction space 43, and is for the purpose of alleviating the increase in internal pressure accompanying the temperature increase in the heater insulating layer 74. Formed.

次に、こうしたガスセンサ200の製法の一例を以下に説明する。ガスセンサ200は、基本的には、図2に示すフローチャートにしたがって、ガスセンサ100の製法と同様に作製することができる。但し、電極保護膜45については、以下のようにして作製する。   Next, an example of a manufacturing method of such a gas sensor 200 will be described below. The gas sensor 200 can be basically manufactured in the same manner as the manufacturing method of the gas sensor 100 according to the flowchart shown in FIG. However, the electrode protective film 45 is produced as follows.

まず、電極保護膜45を作製するためのスラリーを調製する。このスラリーは、ガスセンサ100の電極保護膜119を作製するためのスラリーと同様にして調製する。但し、電極保護膜45を作製するためのスラリーのアルミナ粉末と造孔剤との混合割合は、電極保護膜45のガス拡散抵抗の設計値に応じて決定する。例えば、焼成時の水蒸気分圧と、アルミナ粉末と造孔剤との混合割合と、得られるアルミナ多孔体のガス拡散抵抗との3者の関係を予備実験により求めておき、今回製造しようとする電極保護膜45のガス拡散抵抗に対応する焼成時の水蒸気分圧及びアルミナ粉末と造孔剤との混合割合を、前出の3者の関係から読み出し、読み出した混合割合を採用する。   First, a slurry for preparing the electrode protective film 45 is prepared. This slurry is prepared in the same manner as the slurry for producing the electrode protective film 119 of the gas sensor 100. However, the mixing ratio of the alumina powder of the slurry for producing the electrode protective film 45 and the pore forming agent is determined according to the design value of the gas diffusion resistance of the electrode protective film 45. For example, the three-way relationship between the partial pressure of water vapor at the time of firing, the mixing ratio of alumina powder and pore former, and the gas diffusion resistance of the resulting porous alumina body is determined by preliminary experiments, and this time the production is attempted. The water vapor partial pressure during firing corresponding to the gas diffusion resistance of the electrode protective film 45 and the mixing ratio of the alumina powder and the pore-forming agent are read from the above three relationships, and the read mixing ratio is adopted.

一方、第1固体電解質層4となるグリーンシートへ測定電極44となるパターンを20〜30μm程度の厚みとなるように印刷し、乾燥しておく。この乾燥後のパターンの上に、先ほど調製したスラリーの印刷とその後の乾燥とを繰り返し行う。こうすることにより、測定電極44となるペースト膜の上に、20〜50μmの厚さの電極保護膜45となるペースト膜が形成される。そして、その後の焼成工程(図2のステップS60)において、電極保護膜45となるペースト膜内の造孔剤が消失することで、電極保護膜45が形成される。焼成は、大気雰囲気下で予め定められた一定の水蒸気分圧となるように調整しながら、1350〜1400℃の焼成温度で行う。このときの水蒸気分圧は、電極保護膜45を作製するためのスラリーのアルミナ粉末と造孔剤との混合割合を決定する際に、今回製造しようとする電極保護膜45のガス拡散抵抗に対応する焼成時の水蒸気分圧及びアルミナ粉末と造孔剤との混合割合を、前出の3者の関係から読み出したが、その読み出した水蒸気分圧を採用する。なお、脱脂は別工程とせず、焼成の中で併せて実施する。このため、焼成工程では、まず、昇温を開始してから所定の焼成温度に至るまでの間に脱脂が完了し、その後所定の焼成温度で保持している間にアルミナが焼成される。   On the other hand, a pattern to be the measurement electrode 44 is printed on the green sheet to be the first solid electrolyte layer 4 so as to have a thickness of about 20 to 30 μm and dried. Printing of the slurry prepared earlier and subsequent drying are repeated on the dried pattern. By doing so, a paste film to be the electrode protection film 45 having a thickness of 20 to 50 μm is formed on the paste film to be the measurement electrode 44. Then, in the subsequent firing step (step S60 in FIG. 2), the pore-forming agent in the paste film that becomes the electrode protective film 45 disappears, whereby the electrode protective film 45 is formed. Firing is performed at a firing temperature of 1350 to 1400 ° C. while adjusting the water vapor partial pressure to be a predetermined predetermined pressure in an air atmosphere. The water vapor partial pressure at this time corresponds to the gas diffusion resistance of the electrode protective film 45 to be manufactured this time when determining the mixing ratio of the alumina powder of the slurry for producing the electrode protective film 45 and the pore former. The water vapor partial pressure during firing and the mixing ratio of the alumina powder and the pore forming agent were read out from the above three relationships, and the read out water vapor partial pressure is adopted. In addition, degreasing is not carried out as a separate step, but is also performed during firing. For this reason, in the firing step, first, degreasing is completed from the start of the temperature rise to the predetermined firing temperature, and then the alumina is fired while being held at the predetermined firing temperature.

以上詳述したガスセンサ200によれば、電極保護膜45は設計値どおりのガス拡散抵抗を有しているため、製造ロットにかかわらず被測定ガス中の可燃ガス濃度を精度よく検出することができる。すなわち、本実施形態では、電極保護膜45を作製するにあたり、アルミナ粉末と造孔剤とを予め定められた一定の混合割合で混合して混合原料とし、その混合原料を成形した成形体を、大気雰囲気下で予め定められた一定の水蒸気分圧となるように調整しながら所定の焼成温度で焼成しているため、ガスセンサ200の製造ロットが異なっていたとしても、電極保護膜45は同等のガス拡散抵抗を持つものとなっている。このため、被測定ガス中のNOx濃度のバラツキを小さく抑えることができる。   According to the gas sensor 200 described in detail above, the electrode protective film 45 has the gas diffusion resistance as designed, so that the combustible gas concentration in the gas to be measured can be accurately detected regardless of the production lot. . That is, in this embodiment, when producing the electrode protective film 45, the alumina powder and the pore former are mixed at a predetermined constant mixing ratio to obtain a mixed raw material, and a molded body obtained by molding the mixed raw material is obtained. Since the firing is performed at a predetermined firing temperature while adjusting to a predetermined constant water vapor partial pressure in the air atmosphere, the electrode protective film 45 is equivalent even if the production lot of the gas sensor 200 is different. It has gas diffusion resistance. For this reason, variation in the NOx concentration in the gas to be measured can be kept small.

なお、本発明は上述した実施形態に何ら限定されることはなく、本発明の技術的範囲に属する限り種々の態様で実施し得ることはいうまでもない。   It should be noted that the present invention is not limited to the above-described embodiment, and it goes without saying that the present invention can be implemented in various modes as long as it belongs to the technical scope of the present invention.

例えば、上述した第1実施形態では、電極保護膜119を第1ポンプセルP1の第1外側ポンプ電極118のみに形成したが、ほかの電極116,122,124,128,130の少なくとも1つに同様の電極保護膜を形成してもよい。第2実施形態についても同様である。   For example, in the first embodiment described above, the electrode protection film 119 is formed only on the first outer pump electrode 118 of the first pump cell P1, but the same applies to at least one of the other electrodes 116, 122, 124, 128, and 130. An electrode protective film may be formed. The same applies to the second embodiment.

上述した第1実施形態では、電極保護膜119を作製するためのスラリーとして、各原料の重量部を数値で示したが、これらの数値は一例を示すものに過ぎない。このため、必要に応じて適宜変更しても構わない。第2実施形態についても同様である。   In the first embodiment described above, the weight parts of the respective raw materials are indicated by numerical values as the slurry for producing the electrode protective film 119, but these numerical values are merely an example. For this reason, you may change suitably as needed. The same applies to the second embodiment.

上述した第1及び第2実施形態では、HCセンサやNOxセンサを例示したが、水素(H2)、一酸化炭素(CO)、アンモニア(NH3)などの濃度を検出可能なセンサの電極保護膜に本発明のアルミナ多孔体を適用してもよい。 In the first and second embodiments described above, the HC sensor and the NOx sensor are exemplified, but the electrode protection of the sensor capable of detecting the concentration of hydrogen (H 2 ), carbon monoxide (CO), ammonia (NH 3 ), or the like. You may apply the alumina porous body of this invention to a film | membrane.

[比較例1]
上述した第1実施形態のガスセンサ100の製法にしたがって、ガスセンサ100を複数作製した。具体的には、電極保護膜119を作製するためのスラリーを調製する際、アルミナ粉末に対する造孔剤の重量割合が14重量%のもの、16重量%のもの、20重量%のものをそれぞれ複数製造した。また、焼成条件は、大気雰囲気下で水蒸気分圧を調整することなく、1350℃の焼成温度で行った。電極保護膜119の厚みは27μmであった。得られたガスセンサ100につき、大気雰囲気下において第1センサセルS1の電位差計126の電圧が所定の低電圧で一定になるよう、第1ポンプセルP1の可変電源120をコントロールしたときの第1ポンプセルP1の両電極116,118を流れるポンプ電流(限界電流)Ipを測定し、以下の式(1)からガス拡散抵抗Rdを求めた。その結果を図4に示す。図4から明らかなように、アルミナ粉末に対する造孔剤の重量割合が同じであっても、製造ロットが異なるとガス拡散抵抗Rdは大きくばらついた。
Rd=4FD(Po−Pe)/Ip・R・T …(1)
(Fはファラデー定数(96490C/mol)、Dは酸素分子の拡散定数(1.68cm2/sec)、Poは被測定ガスの酸素分圧(大気中のため0.21atm)、Peは保護膜内測定電極近傍の酸素分圧(限界電流を求めるためゼロ)、Ipは限界電流値、Rは気体定数(82.05atm・cm3/mol)、Tは雰囲気温度(873K))
[Comparative Example 1]
A plurality of gas sensors 100 were produced in accordance with the manufacturing method of the gas sensor 100 of the first embodiment described above. Specifically, when preparing the slurry for producing the electrode protective film 119, the weight ratio of the pore former to the alumina powder is 14% by weight, 16% by weight, and 20% by weight. Manufactured. The firing conditions were 1350 ° C. at a firing temperature without adjusting the water vapor partial pressure in an air atmosphere. The thickness of the electrode protective film 119 was 27 μm. For the obtained gas sensor 100, the first pump cell P1 when the variable power source 120 of the first pump cell P1 is controlled so that the voltage of the potentiometer 126 of the first sensor cell S1 becomes constant at a predetermined low voltage in the atmosphere. The pump current (limit current) Ip flowing through both electrodes 116 and 118 was measured, and the gas diffusion resistance Rd was obtained from the following equation (1). The result is shown in FIG. As is apparent from FIG. 4, even when the weight ratio of the pore forming agent to the alumina powder was the same, the gas diffusion resistance Rd varied greatly when the production lots were different.
Rd = 4FD (Po-Pe) / Ip · R · T (1)
(F is the Faraday constant (96490 C / mol), D is the diffusion constant of oxygen molecules (1.68 cm 2 / sec), Po is the oxygen partial pressure of the gas to be measured (in the atmosphere, 0.21 atm), Pe is the protective film Oxygen partial pressure in the vicinity of the inner measurement electrode (zero to determine the limit current), Ip is the limit current value, R is the gas constant (82.05 atm · cm 3 / mol), and T is the ambient temperature (873K))

[実施例1]
上述した第1実施形態のガスセンサ100の製法にしたがって、ガスセンサ100を複数作製した。具体的には、電極保護膜119を作製するためのスラリーを調製する際、アルミナ粉末に対する造孔剤の重量割合が14重量%のもの、16重量%のもの、20重量%のものをそれぞれ複数製造した。また、焼成条件は、大気雰囲気下で予め定められた一定の水蒸気分圧となるように調整しながら、1350℃の焼成温度で行った。電極保護膜119の厚みは27μmであった。ここで、焼成炉内の水蒸気分圧は、焼成炉出口の水蒸気分圧とし、焼成炉内の水蒸気分圧は焼成炉出口の水蒸気分圧測定値を用いたフィードバック制御により添加水分量を調整することで管理した。得られたガスセンサ2につき、比較例1と同様にしてガス拡散抵抗Rdを求めた。その結果を図5に示す。図5から明らかなように、アルミナ粉末に対する造孔剤の重量割合が同じであっても、焼成時の水蒸気分圧が異なればガス拡散抵抗Rdも異なることがわかった。また、アルミナ粉末に対する造孔剤の重量割合と焼成時の水蒸気分圧とが同じ場合には、ガス拡散抵抗Rdは同じ値になることがわかった。
[Example 1]
A plurality of gas sensors 100 were produced in accordance with the manufacturing method of the gas sensor 100 of the first embodiment described above. Specifically, when preparing the slurry for producing the electrode protective film 119, the weight ratio of the pore former to the alumina powder is 14% by weight, 16% by weight, and 20% by weight. Manufactured. Further, the firing conditions were performed at a firing temperature of 1350 ° C. while adjusting so as to have a predetermined water vapor partial pressure in an air atmosphere. The thickness of the electrode protective film 119 was 27 μm. Here, the steam partial pressure in the firing furnace is the steam partial pressure at the exit of the firing furnace, and the steam partial pressure in the firing furnace is adjusted for the amount of added water by feedback control using the measured steam partial pressure at the exit of the firing furnace. I managed it. For the obtained gas sensor 2, the gas diffusion resistance Rd was determined in the same manner as in Comparative Example 1. The result is shown in FIG. As is apparent from FIG. 5, even when the weight ratio of the pore forming agent to the alumina powder is the same, the gas diffusion resistance Rd is different if the water vapor partial pressure during firing is different. It was also found that when the weight ratio of the pore forming agent to the alumina powder and the water vapor partial pressure during firing were the same, the gas diffusion resistance Rd had the same value.

[比較例2]
上述した第1実施形態のガスセンサ100の製法にしたがって、ガスセンサ100を複数作製した。具体的には、電極保護膜119を作製するためのスラリーを調製する際、アルミナ粉末に対する造孔剤の重量割合が16重量%のものを10ロット製造した。このときの焼成条件は、大気雰囲気下で水蒸気分圧を調整することなく、1350℃の焼成温度で行った。電極保護膜119の厚みは27μmであった。得られたガスセンサ2につき、モデルガスとして、窒素ガスに炭化水素(HC)ガスとしてプロパンガスを1000〜5000ppm混合したものを用意し、HCガス濃度とガスセンサ100の電流計134の検出電流との関係を表とグラフにまとめた(表1及び図6参照)。表1の数値は検出電流(μA)を示す。図6では、検出電流のバラツキを白い帯で示した。表1及び図6から明らかなように、アルミナ粉末に対する造孔剤の重量割合が同じであっても、製造ロットが異なると、所定のHCガス濃度に対する検出電流は大きくばらついた。
[Comparative Example 2]
A plurality of gas sensors 100 were produced in accordance with the manufacturing method of the gas sensor 100 of the first embodiment described above. Specifically, when preparing the slurry for producing the electrode protective film 119, 10 lots were manufactured in which the weight ratio of the pore former to the alumina powder was 16% by weight. The firing conditions at this time were 1350 ° C. firing temperature without adjusting the water vapor partial pressure in the air atmosphere. The thickness of the electrode protective film 119 was 27 μm. For the obtained gas sensor 2, a model gas prepared by mixing 1000-5000 ppm of propane gas as hydrocarbon (HC) gas with nitrogen gas is prepared, and the relationship between the HC gas concentration and the detected current of the ammeter 134 of the gas sensor 100 Are summarized in a table and a graph (see Table 1 and FIG. 6). The numerical values in Table 1 indicate the detected current (μA). In FIG. 6, the variation in the detected current is indicated by a white band. As is apparent from Table 1 and FIG. 6, even if the weight ratio of the pore forming agent to the alumina powder was the same, the detection current for a predetermined HC gas concentration varied greatly when the production lots were different.

[実施例2]
上述した第1実施形態のガスセンサ100の製法にしたがって、ガスセンサ100を複数作製した。具体的には、電極保護膜119を作製するためのスラリーを調製する際、アルミナ粉末に対する造孔剤の重量割合が16重量%のものを10ロット製造した。このときの焼成条件は、大気雰囲気下で予め定められた一定の水蒸気分圧(10hPa)となるように調整しながら、1350℃の焼成温度で行った。電極保護膜119の厚みは27μmであった。ここで、焼成炉内の水蒸気分圧は、焼成炉出口の水蒸気分圧とし、焼成炉出口の水蒸気分圧測定値を用いたフィードバック制御により添加水分量を調整することで管理した。得られたガスセンサ100につき、比較例2と同様にして表とグラフを作成した(表2及び図7参照)。図7から明らかなように、アルミナ粉末に対する造孔剤の重量割合が同じで且つ製造時の水蒸気分圧が同じであれば、製造ロットが異なったとしても、所定のHCガス濃度に対する検出電流はほぼ同じ値になった。つまり、アルミナ粉末に対する造孔剤の重量割合と焼成時の水蒸気分圧とを決めれば、所定のHCガス濃度に対する検出電流をほぼ一義的に決めることができることがわかる。
[Example 2]
A plurality of gas sensors 100 were produced in accordance with the manufacturing method of the gas sensor 100 of the first embodiment described above. Specifically, when preparing the slurry for producing the electrode protective film 119, 10 lots were manufactured in which the weight ratio of the pore former to the alumina powder was 16% by weight. Firing conditions at this time were performed at a firing temperature of 1350 ° C. while adjusting to a predetermined water vapor partial pressure (10 hPa) in an air atmosphere. The thickness of the electrode protective film 119 was 27 μm. Here, the water vapor partial pressure in the baking furnace was set to the water vapor partial pressure at the baking furnace outlet, and was managed by adjusting the amount of added water by feedback control using the measured value of the water vapor partial pressure at the baking furnace outlet. About the obtained gas sensor 100, the table | surface and the graph were created like the comparative example 2 (refer Table 2 and FIG. 7). As is apparent from FIG. 7, if the weight ratio of the pore former to the alumina powder is the same and the water vapor partial pressure at the time of manufacture is the same, the detected current for a given HC gas concentration is the same even if the production lot is different. It became almost the same value. That is, it can be seen that the detection current for a predetermined HC gas concentration can be determined almost uniquely by determining the weight ratio of the pore former to the alumina powder and the water vapor partial pressure during firing.

[比較例3]
上述した第2実施形態のガスセンサ200の製法に準じて、粒子間埋込法を用いてガスセンサ200を作製した。すなわち、アルミナ骨材粉末として、粒径が0.25μmで球形度が0.90のアルミナ粒子を用い、アルミナ造孔剤として、粒径が0.03μmで球形度が0.87のアルミナ粒子を用いて、上述した第2実施形態のガスセンサ200の製法に準じて、ガスセンサ200を作製した。具体的には、電極保護膜45を作製するためのスラリーを調製する際、アルミナ骨材粉末に対するアルミナ造孔剤の重量割合が3.4重量%、3.8重量%、4.7重量%、5.8重量%のスラリーを調製した。また、焼成条件は、大気雰囲気下で水蒸気分圧を調整することなく、焼成温度を1350〜1400℃とした。電極保護膜45の厚みは27μmであった。このようにして、ガスセンサ200を、重量%ごとに8ロットずつ作製した。得られたガスセンサ200につき、比較例1と同様にしてガス拡散抵抗Rdを求めた。その結果を図8に示す。図8から明らかなように、アルミナ骨材粉末に対するアルミナ造孔剤の重量割合が同じであっても、製造ロットが異なるとガス拡散抵抗Rdは大きくばらついた。特に、3.8重量%、4.7重量%のときにバラツキの範囲が広くなった。
[Comparative Example 3]
The gas sensor 200 was manufactured using the interparticle embedding method according to the manufacturing method of the gas sensor 200 of the second embodiment described above. That is, alumina particles having a particle size of 0.25 μm and a sphericity of 0.90 were used as the alumina aggregate powder, and alumina particles having a particle size of 0.03 μm and a sphericity of 0.87 were used as the alumina pore former. The gas sensor 200 was produced according to the manufacturing method of the gas sensor 200 of the second embodiment described above. Specifically, when preparing the slurry for producing the electrode protective film 45, the weight ratio of the alumina pore forming agent to the alumina aggregate powder is 3.4 wt%, 3.8 wt%, 4.7 wt%. A 5.8 wt% slurry was prepared. Moreover, the baking temperature was 1350-1400 degreeC, without adjusting water vapor partial pressure in an atmospheric condition. The thickness of the electrode protective film 45 was 27 μm. In this way, eight lots of gas sensors 200 were produced for each weight%. For the obtained gas sensor 200, the gas diffusion resistance Rd was obtained in the same manner as in Comparative Example 1. The result is shown in FIG. As is apparent from FIG. 8, even when the weight ratio of the alumina pore-forming agent to the alumina aggregate powder is the same, the gas diffusion resistance Rd varies greatly when the production lots are different. In particular, the range of variation was widened at 3.8% by weight and 4.7% by weight.

[実施例3]
比較例3と同様のアルミナ骨材粉末及びアルミナ造孔剤を用いて、上述した第2実施形態のガスセンサ200の製法にしたがって、ガスセンサ200を作製した。具体的には、電極保護膜45を作製するためのスラリーを調製する際、アルミナ骨材粉末に対するアルミナ造孔剤の重量割合が3.4重量%、3.8重量%、4.7重量%、5.8重量%のスラリーを調製した。また、焼成条件は、重量%ごとに、大気雰囲気下で水蒸気分圧を1hPa,5hPa,13hPa,20hPa,30hPa,35hPaの6段階に調整し、焼成温度を1350〜1400℃とした。電極保護膜45の厚みは27μmであった。3.4重量%と5.6重量%については、各水蒸気分圧での焼成を1回ずつ行い、3.8重量%と4.7重量%については、各水蒸気分圧での焼成を2回ずつ行った。得られたガスセンサ200につき、比較例1と同様にしてガス拡散抵抗Rdを求めた。その結果を図9に示す。図9から明らかなように、アルミナ骨材粉末に対するアルミナ造孔剤の重量割合が同じであっても、焼成時の水蒸気分圧が異なればガス拡散抵抗Rdも異なることがわかった。また、アルミナ粉末に対する造孔剤の重量割合と焼成時の水蒸気分圧とが決まれば、ガス拡散抵抗Rdは一義的な値に決まることがわかった。
[Example 3]
Using the same alumina aggregate powder and alumina pore former as in Comparative Example 3, a gas sensor 200 was produced according to the method for producing the gas sensor 200 of the second embodiment described above. Specifically, when preparing the slurry for producing the electrode protective film 45, the weight ratio of the alumina pore forming agent to the alumina aggregate powder is 3.4 wt%, 3.8 wt%, 4.7 wt%. A 5.8 wt% slurry was prepared. In addition, for each weight percent, the water vapor partial pressure was adjusted to 6 levels of 1 hPa, 5 hPa, 13 hPa, 20 hPa, 30 hPa, and 35 hPa in an air atmosphere, and the firing temperature was 1350 to 1400 ° C. The thickness of the electrode protective film 45 was 27 μm. For 3.4 wt% and 5.6 wt%, firing at each water vapor partial pressure was performed once, and for 3.8 wt% and 4.7 wt%, firing at each water vapor partial pressure was 2 I went there once. For the obtained gas sensor 200, the gas diffusion resistance Rd was obtained in the same manner as in Comparative Example 1. The result is shown in FIG. As can be seen from FIG. 9, even when the weight ratio of the alumina pore-forming agent to the alumina aggregate powder is the same, the gas diffusion resistance Rd is different if the water vapor partial pressure during firing is different. It was also found that the gas diffusion resistance Rd was uniquely determined if the weight ratio of the pore former to the alumina powder and the water vapor partial pressure during firing were determined.

こうしたことから、所望のガス拡散抵抗Rd(例えば130〜1000cm-1の範囲内の値)を得るには、アルミナ骨材粉末に対するアルミナ造孔剤の重量割合と焼成時の水蒸気分圧とを設定すればよいことがわかった。なお、水蒸気分圧は1〜30hPaの範囲で設定するのが好ましく、5〜20hPaの範囲で設定するのがより好ましい。1hPa未満の値に設定するのは、焼成炉の構成上困難であるため好ましくない。また、30hPaを超える値に設定するのは、30hPaを超えると拡散抵抗Rdの値がほぼ一定になるためあまり意味がない。5〜20hPaであれば、焼成炉の構成上、水蒸気分圧を安定して調整することができるため好ましい。 Therefore, in order to obtain a desired gas diffusion resistance Rd (for example, a value in the range of 130 to 1000 cm −1 ), the weight ratio of the alumina pore forming agent to the alumina aggregate powder and the water vapor partial pressure during firing are set. I understood that I should do. In addition, it is preferable to set water vapor partial pressure in the range of 1-30 hPa, and it is more preferable to set in the range of 5-20 hPa. Setting to a value of less than 1 hPa is not preferable because it is difficult to configure the firing furnace. Setting a value exceeding 30 hPa is not very meaningful because the value of the diffusion resistance Rd becomes almost constant when it exceeds 30 hPa. If it is 5-20 hPa, on the structure of a baking furnace, since water vapor partial pressure can be adjusted stably, it is preferable.

[実施例4、比較例4]
比較例3と同様のアルミナ骨材粉末及びアルミナ造孔剤を用いて、上述した第2実施形態のガスセンサ200の製法にしたがって、ガスセンサ200を作製した。具体的には、実施例4では、電極保護膜45を作製するためのスラリーを調製する際、アルミナ骨材粉末に対するアルミナ造孔剤の重量割合が4.3重量%のものを複数調製した。また、焼成条件は、大気雰囲気下で水蒸気分圧を12hPaに調整し、焼成温度を1350〜1400℃とした。一方、比較例4では、同じく4.3重量%のものを複数調製した。また、焼成条件は、大気雰囲気下で水蒸気分圧を調整せず、焼成温度を1350〜1400℃とした。いずれも電極保護膜45の厚みは27μmであった。実施例4及び比較例4で得られたガスセンサ200の各々につき、モデルガスとして、窒素ガスにNOガスを500ppm混合したものを用意し、ガスセンサ200の電流Ip2との関係をグラフにまとめた(図10参照)。図10から明らかなように、比較例4では、製造ロットが異なると、所定のNOガス濃度に対する検出電流は大きくばらついた。これに対して、実施例4では、製造ロットが異なっても、所定のNOガス濃度に対する検出電流はほとんどばらつかなかった。つまり、アルミナ粉末に対する造孔剤の重量割合と焼成時の水蒸気分圧とを決めれば、所定のNOガス濃度に対する検出電流をほぼ一義的に決めることができることがわかる。
[Example 4, Comparative Example 4]
Using the same alumina aggregate powder and alumina pore former as in Comparative Example 3, a gas sensor 200 was produced according to the method for producing the gas sensor 200 of the second embodiment described above. Specifically, in Example 4, when preparing the slurry for producing the electrode protective film 45, a plurality of alumina pore formers with a weight ratio of 4.3% by weight to the alumina aggregate powder were prepared. Moreover, the baking conditions adjusted the water vapor partial pressure to 12 hPa in air | atmosphere, and set the baking temperature to 1350-1400 degreeC. On the other hand, in Comparative Example 4, a plurality of the same 4.3% by weight were prepared. The firing conditions were such that the partial pressure of water vapor was not adjusted in the air atmosphere, and the firing temperature was 1350 to 1400 ° C. In any case, the thickness of the electrode protective film 45 was 27 μm. For each of the gas sensors 200 obtained in Example 4 and Comparative Example 4, a model gas prepared by mixing 500 ppm of NO gas with nitrogen gas was prepared, and the relationship with the current Ip2 of the gas sensor 200 was summarized in a graph (FIG. 10). As apparent from FIG. 10, in Comparative Example 4, the detected current with respect to a predetermined NO gas concentration varied greatly when the production lots were different. On the other hand, in Example 4, even if the production lots were different, the detected current with respect to a predetermined NO gas concentration hardly varied. That is, it can be seen that the detection current for a predetermined NO gas concentration can be determined almost uniquely by determining the weight ratio of the pore-forming agent to the alumina powder and the water vapor partial pressure during firing.

1 第1基板層、2 第2基板層、3 第3基板層、4 第1固体電解質層、5 スペーサ層、6 第2固体電解質層、10 ガス導入口、11 第1拡散律速部、12 緩衝空間、13 第2拡散律速部、20 第1内部空所、21 主ポンプセル、22 内側ポンプ電極、22a 天井電極部、22b 底部電極部、23 外側ポンプ電極、30 第3拡散律速部、40 第2内部空所、41 測定用ポンプセル、42 基準電極、43 基準ガス導入空間、44 測定電極、45 電極保護膜、46 可変電源、48 大気導入層、50 補助ポンプセル、51 補助ポンプ電極、51a 天井電極部、51b 底部電極部、52 可変電源、70 ヒータ部、71 ヒータ電極、72 ヒータ、73 スルーホール、74 ヒータ絶縁層、75 圧力放散孔、80 主ポンプ制御用酸素分圧検出センサセル、81 補助ポンプ制御用酸素分圧検出センサセル、82 測定用ポンプ制御用酸素分圧検出センサセル、83 センサセル、100 ガスセンサ、104a〜104f 第1〜第6固体電解質層、 106 空所、110 基準通路、112 拡散律速通路、116 第1内側ポンプ電極、118 第1外側ポンプ電極、119 電極保護膜、120 可変電源、122 測定電極、124 基準電極、126 電位差計、128 第2内側ポンプ電極、130 第2外側ポンプ電極、132 直流電源、134 電流計、142 ヒータ、P1 第1ポンプセル、P2 第2ポンプセル、Rd ガス拡散抵抗、S1 第1センサセル、ガスセンサ 200、センサ素子101。 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 1st board | substrate layer, 2nd board | substrate layer, 3rd board | substrate layer, 4th 1st solid electrolyte layer, 5 spacer layer, 6 2nd solid electrolyte layer, 10 gas inlet, 11 1st diffusion control part, 12 buffer Space, 13 Second diffusion limiting part, 20 First internal space, 21 Main pump cell, 22 Inner pump electrode, 22a Ceiling electrode part, 22b Bottom electrode part, 23 Outer pump electrode, 30 Third diffusion limiting part, 40 Second Internal space, 41 Measurement pump cell, 42 Reference electrode, 43 Reference gas introduction space, 44 Measurement electrode, 45 Electrode protective film, 46 Variable power supply, 48 Air introduction layer, 50 Auxiliary pump cell, 51 Auxiliary pump electrode, 51a Ceiling electrode part 51b Bottom electrode part, 52 Variable power supply, 70 Heater part, 71 Heater electrode, 72 Heater, 73 Through hole, 74 Heater insulating layer, 75 Pressure dissipation hole, 0 oxygen partial pressure detection sensor cell for main pump control, 81 oxygen partial pressure detection sensor cell for auxiliary pump control, 82 oxygen partial pressure detection sensor cell for measurement pump control, 83 sensor cell, 100 gas sensor, 104a to 104f 1st to 6th solid electrolyte Layer, 106 cavity, 110 reference passage, 112 diffusion-controlled passage, 116 first inner pump electrode, 118 first outer pump electrode, 119 electrode protective film, 120 variable power supply, 122 measurement electrode, 124 reference electrode, 126 potentiometer, 128 Second inner pump electrode, 130 Second outer pump electrode, 132 DC power source, 134 Ammeter, 142 Heater, P1 First pump cell, P2 Second pump cell, Rd Gas diffusion resistance, S1 First sensor cell, Gas sensor 200, Sensor element 101.

Claims (6)

アルミナ粉末と造孔剤とを予め定められた混合割合で混合して混合原料とし、その混合原料を成形した成形体を、大気雰囲気下で、一定の水蒸気分圧となるように焼成雰囲気を調整しながら焼成し、所望の多孔質性状を実現する、
アルミナ多孔体の製法。
Alumina powder and pore former are mixed at a predetermined mixing ratio to form a mixed raw material, and the molded body obtained by molding the mixed raw material is adjusted in a firing atmosphere so as to have a constant water vapor partial pressure in the air atmosphere. Firing while realizing the desired porous properties,
A method for producing porous alumina.
焼成時の水蒸気分圧と、アルミナ粉末と造孔剤との混合割合と、得られるアルミナ多孔体のガス拡散抵抗との3者の関係を求め、製造しようとするアルミナ多孔体のガス拡散抵抗が所望の値となるように前記関係から焼成時の水蒸気分圧及びアルミナ粉末と造孔剤との混合割合を決定し、その後、アルミナ粉末と造孔剤とを前記決定した混合割合で混合して混合原料とし、その混合原料を成形した成形体を、大気雰囲気下で前記決定した水蒸気分圧となるように調整しながら所定の焼成温度で焼成する、
アルミナ多孔体の製法。
The three-way relationship between the water vapor partial pressure during firing, the mixing ratio of the alumina powder and the pore forming agent, and the gas diffusion resistance of the resulting alumina porous body is determined, and the gas diffusion resistance of the alumina porous body to be manufactured is Determine the water vapor partial pressure during firing and the mixing ratio of the alumina powder and the pore former from the above relationship so that the desired value is obtained, and then mix the alumina powder and the pore former at the determined mixing ratio. Firing at a predetermined calcining temperature while adjusting the molded body obtained by molding the mixed raw material to the determined steam partial pressure in the air atmosphere as a mixed raw material,
A method for producing porous alumina.
前記アルミナ多孔体は、ガスセンサの電極保護膜用である、
請求項1又は2記載のアルミナ多孔体の製法。
The alumina porous body is for an electrode protective film of a gas sensor,
The manufacturing method of the alumina porous body of Claim 1 or 2.
前記アルミナ粉末は、骨材として機能するアルミナ粒子であり、前記造孔剤は、前記アルミナ粉末よりも粒径の細かいアルミナ粒子であり、前記アルミナ粉末の相互間の空隙に複数の前記造孔剤を埋め込んだ状態のものを前記成形体として使用する、
請求項1〜3のいずれか1項に記載のアルミナ多孔体の製法。
The alumina powder is alumina particles functioning as an aggregate, and the pore-forming agent is alumina particles having a particle diameter smaller than that of the alumina powder, and a plurality of the pore-forming agents are provided in the gaps between the alumina powders. Is used as the molded body,
The manufacturing method of the alumina porous body of any one of Claims 1-3.
前記アルミナ粉末は、粒径が0.1〜0.7μm、球形度が0.7〜1.0のアルミナ粒子であり、前記造孔剤は、粒径が0.01〜0.1μmのアルミナ粒子であり、1200〜1400℃で焼成する、
請求項4に記載のアルミナ多孔体の製法。
The alumina powder is an alumina particle having a particle size of 0.1 to 0.7 μm and a sphericity of 0.7 to 1.0, and the pore former is an alumina having a particle size of 0.01 to 0.1 μm. Particles, fired at 1200-1400 ° C.,
The manufacturing method of the alumina porous body of Claim 4.
前記アルミナ粉末と前記造孔剤との混合割合は、前記造孔剤を前記アルミナ粉末に対して、3.4〜5.6重量%の範囲で設定される、
請求項4又は5に記載のアルミナ多孔体の製法。
The mixing ratio of the alumina powder and the pore former is set in the range of 3.4 to 5.6% by weight of the pore former with respect to the alumina powder.
The manufacturing method of the alumina porous body of Claim 4 or 5.
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