JP2529546B2 - Gas detector - Google Patents

Gas detector

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JP2529546B2
JP2529546B2 JP7098844A JP9884495A JP2529546B2 JP 2529546 B2 JP2529546 B2 JP 2529546B2 JP 7098844 A JP7098844 A JP 7098844A JP 9884495 A JP9884495 A JP 9884495A JP 2529546 B2 JP2529546 B2 JP 2529546B2
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Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は、ガス成分またはその濃
度を検出するためのガス検出器に関するものであって、
特に感ガス性の遷移金属酸化物を用いたガス検出器に関
する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a gas detector for detecting a gas component or its concentration,
In particular, it relates to a gas detector using a gas-sensitive transition metal oxide.

【0002】[0002]

【従来の技術】従来よりガスの存在、あるいはその濃度
を検出するためのガス検出器として、酸素ガス検出器、
可燃性ガス検出器等が実用化されている。これらの中
に、ガスが接触した場合に、その電気抵抗が変化する特
性を持った感ガス性の金属酸化物を使用しているものが
ある。例えばTiO 2 CoO,NiO等の遷移金属元
素の酸化物等は酸素ガス検出器として使用できる。
2. Description of the Related Art Conventionally, an oxygen gas detector has been used as a gas detector for detecting the presence or concentration of gas.
Combustible gas detectors have been put to practical use. Among these, there is one using a gas-sensitive metal oxide having a characteristic that its electric resistance changes when it comes into contact with gas. For example, oxides of transition metal elements such as TiO 2 , CoO, and NiO can be used as the oxygen gas detector .

【0003】ここで例示した遷移金属酸化物は、非化学
量論的化合物である。そして、この非化学量論的化合物
中の荷電担体(ホール、電子)の量は、周囲の酸素ガス
分圧によって変化する。そのために、周囲の酸素ガス分
圧に応じて導電率が変化するのである。
The transition metal oxides exemplified here are non-stoichiometric compounds. Then, the amount of charge carriers (holes, electrons) in this non-stoichiometric compound changes depending on the partial pressure of oxygen gas in the surroundings. Therefore, the conductivity changes according to the partial pressure of oxygen gas in the surroundings.

【0004】[0004]

【発明が解決しようとする課題】ところで、上記酸素ガ
ス検出器のうち、例えば、チタニアセンサでは、陰極と
陽極間のバイアスによるイオン電流(陰極から陽極への
酸素イオンO 2- の移動による電流)のために、陽極側で
は、Ti 4+ の不足の状態になるとともに、O 2- 過剰の状
態となって、本来チタニアに存在していた格子欠陥(酸
素欠陥;ホール)に酸素原子が入り込み、酸素欠陥を埋
めてしまうので、酸素欠陥が少なくなる。つまり、陽極
側のチタニアが、外部の直流電圧による陰極側のチタニ
アからのO 2- の移動によって、電気的に酸化され、その
電気伝導度が低下する。このため、酸素ガス検出器を使
用しているうちに、陽極とチタニアの感ガス層間の抵抗
が上昇し、感ガス層の抵抗値が初期状態と異なる値とな
って劣化する。
By the way, the above oxygen gas is used.
Among the detectors , for example, in a titania sensor, an ionic current (from cathode to anode
Due to the current due to the movement of oxygen ions O 2− ) , the anode side is in a state of lacking Ti 4+ and is in an excess of O 2−, which causes lattice defects (acids originally present in titania).
Oxygen atoms enter the elementary defects (holes) and fill the oxygen defects.
As a result, oxygen defects are reduced. That is, the anode
Side titania is the cathode side titania due to external DC voltage.
By the transfer of O 2- from A , it is electrically oxidized and
The electrical conductivity decreases. For this reason, use an oxygen gas detector.
While using, the resistance between the anode and the titania gas sensitive layer
Rises and the resistance value of the gas sensitive layer becomes different from the initial value.
Will deteriorate.

【0005】本発明は、上記従来の技術の問題点を究明
した結果なされたもので、経時変化による劣化の少ない
ガス検出器を提供することを目的とする。
The present invention has been made as a result of investigating the problems of the above-mentioned conventional techniques, and an object of the present invention is to provide a gas detector which is less deteriorated due to aging.

【0006】[0006]

【課題を解決するための手段】本発明は上記問題点を解
決するために次の手段を採用した。すなわち、発明
は、陽極および陰極からなる1対の電極と、この電極を
覆い、感ガス性の遷移金属酸化物を含み、ガス成分およ
び/またはガス濃度に応じて電気抵抗が変化する多孔質
の感ガス層と、を備え、上記陽極周辺の感ガス層に、上
記遷移金属より原子価の大きい元素を含んだ電子のドナ
ー添加剤を添加したことを特徴とするガス検出器を要旨
とする。
The present invention adopts the following means in order to solve the above problems. That is, the present invention includes a pair of electrodes consisting of an anode and a cathode, and a porous material which covers the electrodes and contains a gas-sensitive transition metal oxide, and whose electric resistance changes according to the gas component and / or the gas concentration. preparedness and a gas sensitive layer, and the gas-sensitive layer near the anode, to the gist of the gas detector, characterized in that the addition of an electron donor additive containing a valence of greater element from the transition metal It

【0007】ここで、上記電極としては、耐熱性の導電
体であれば特に限定はないが、通常、タングステン、モ
リブデン、金あるいは白金族を主成分としたものが用い
られる。感ガス層に用いられる感ガス性金属酸化物とし
ては、検出するガス成分に応じてその物質を選択すれば
よいが、通常用いられるものとして、TiO 2 ,SnO
2 ,CoO,ZnO,Nb 2 5 ,Cr 2 3 ,NiO等の
遷移金属酸化物があげられ、本発明においてもこれらの
うちのいずれか1つまたは2つ以上の組合せの物質を用
いればよい。
Here, the above-mentioned electrode is not particularly limited as long as it is a heat-resistant conductor, but in general, one containing tungsten, molybdenum, gold or platinum group as a main component is used. As the gas-sensitive metal oxide used in the gas-sensitive layer, the substance may be selected according to the gas component to be detected, but as the commonly used substances, TiO 2 , SnO
2 , transition metal oxides such as CoO, ZnO, Nb 2 O 5 , Cr 2 O 3 , and NiO are included. In the present invention, any one or a combination of two or more of these may be used. Good.

【0008】また、電子のドナー添加剤としては、例え
ばチタニアを主成分とする酸素ガス検出器では、Tiよ
り原子価の大きなTaやNb等の元素及びその酸化物が
挙げられる。尚、本発明を明確に示すために、結合の手
に相当する表現として、価数よりも原子価という表現が
適切であるので、原子価と表現した。
Further , as an electron donor additive, for example,
For example, in an oxygen gas detector mainly composed of titania, Ti
Elements such as Ta and Nb, which have high valence, and their oxides
No. In order to clearly show the present invention, the coupling
As an expression equivalent to, the expression of valence rather than valence is
Since it is appropriate, it is expressed as valence.

【0009】ここで、電子のドナー添加剤とは、過剰の
電子を供給する物質を意味し、電気伝導度を向上させる
ために、このドナー添加剤が加えられる。具体的には、
感ガス層を構成する遷移金属酸化物よりも原子価の大き
い元素、例えばTi(原子価4;従ってTiイオンはT
4+ )に対しては、Ta(原子価5;従ってTaイオン
はTa 5+ )やNb(原子価5;従ってNbイオンはNb
5+ )を添加することによって、結晶格子中の余剰電子数
を増加させる手段を意味する。 例えばチタニアに対し
て、原子価の大きいTaを添加した場合、TaはTiO
2 の結晶格子中に入り込み結合にあずかるが、4価のT
iに比較してTaは5価であるために、酸素との結合に
あずからない自由電子(=過剰な電子e - )を1個もつ
ことになる。この様に、例えばTaは余剰電子の供給側
(ドナー)と定義されるので、Taが電子のドナー添加
剤となる。
Here, the electron donor additive is an excess of
It means a substance that supplies electrons, and improves electrical conductivity.
For this, the donor additive is added. In particular,
Larger valence than the transition metal oxide that constitutes the gas-sensitive layer
An element such as Ti (valence 4; therefore Ti ion is T
i ( 4+ ), Ta (valence 5; therefore Ta ion)
Is Ta 5+ ) or Nb (valence 5; therefore Nb ion is Nb
5+ ) is added, the number of surplus electrons in the crystal lattice is increased.
Means a means of increasing. For example for Titania
When Ta with high valence is added, Ta is TiO 2.
It enters into the crystal lattice of 2 and participates in bonding, but tetravalent T
Since Ta is pentavalent as compared with i,
Azukara not free electrons (= excess of electrons e -) with one of the
It will be. Thus, for example, Ta is the surplus electron supply side.
Since it is defined as (donor), Ta is an electron donor addition
Become an agent.

【0010】本発明のガス検出器は、例えば、セラミッ
ク基板上に厚膜技術等のハイブリッド技術により感ガス
層等を設けることにより作成できる。あるいは、厚膜技
術等を使用せずに、サーミスタ等で用いられる、ディス
ク型、ビード型等に形成してもよい。
The gas detector of the present invention can be produced, for example, by providing a gas sensitive layer or the like on a ceramic substrate by a hybrid technique such as a thick film technique. Alternatively, it may be formed into a disk type, a bead type or the like used in a thermistor or the like without using the thick film technique or the like.

【0011】さらに、測定時におけるガス検出器の温度
特性の変動の減少を目的として、発熱体を感ガス層の近
傍に設けても良い。そして、この発熱体の一部とガス検
出器の一方の電極とを連結して感ガス層に電圧を印加
し、端子の数を減らすと共に測定回路を簡単にしてもよ
い。
Further, a heating element may be provided in the vicinity of the gas sensitive layer for the purpose of reducing the fluctuation of the temperature characteristic of the gas detector during the measurement. Then, a part of this heating element and one electrode of the gas detector may be connected to apply a voltage to the gas sensitive layer to reduce the number of terminals and simplify the measurement circuit.

【0012】[0012]

【作用】a)まず、ドナーの意味について説明する。酸
化チタン(チタニア;TiO 2 )の様な金属酸化物が電
気伝導を生じるのは、金属酸化物中の金属原子が酸素原
子と完全に結合した状態でないためと考えられている。
[Operation] a) First, the meaning of the donor will be described. acid
Metal oxides such as titanium oxide (titania; TiO 2 ) are electrically conductive.
Gas conduction occurs because the metal atom in the metal oxide is the oxygen source.
It is believed that it is not completely connected to the child.

【0013】例えば、チタン原子が2つの酸素原子と完
全に結合していれば、チタン原子は本来金属原子として
保有していた4つの自由電子を、全て酸素との結合に使
っているから、その様なチタン原子のみで構成された酸
化チタンの抵抗体は、殆ど電気を流さない。
For example, when a titanium atom is replaced with two oxygen atoms,
If all are bonded, the titanium atom is essentially a metal atom
All four of the free electrons we had were used to bond with oxygen.
Therefore, an acid composed only of such titanium atoms
Titanium nitride resistors conduct very little electricity.

【0014】しかし、チタン原子が1つの酸素原子とし
か結合していなければ、2つの自由電子が残るから、こ
れらの電子が電気伝導に寄与することになる。現実の酸
化チタンは、(4つの自由電子を全て酸素との結合に使
用している)酸化チタンと(結合に使用していない2つ
の自由電子を残す)酸化チタンが、ある割合で混合した
ものと考えられており、各々が共有結合して格子を形成
していると考えられる。
However, assuming that the titanium atom is one oxygen atom,
If they are not bonded, two free electrons remain, so
These electrons will contribute to electrical conduction. Real acid
Titanium oxide (uses all four free electrons to bond with oxygen.
Titanium oxide (used) and two not used for bonding
Left free electrons of) titanium oxide mixed in a certain proportion
It is believed that each of them is covalently bonded to form a lattice.
it seems to do.

【0015】即ち、酸化チタンの中には、チタン原子の
不完全結合によって、結合に預からない自由電子が存在
する。この様に結合に預からない自由電子を持つ原子の
ことをドナーと呼ぶ。通常の酸化チタン中では、チタン
原子がドナーとして存在しており、それが酸化チタンの
電気伝導を生じさせている。この場合、完全に格子が形
成されていないので、酸素原子の抜けている所を格子欠
陥(酸素欠陥)と呼ぶ。
That is, titanium oxide contains titanium atoms
Due to incomplete bonds, there are free electrons that are not included in the bonds.
I do. In this way, for atoms with free electrons
This is called a donor. In normal titanium oxide, titanium
Atoms exist as donors,
Causing electrical conduction. In this case, the grid is completely shaped
Since it is not formed, the place where the oxygen atom is missing has a lattice defect.
It is called a pit (oxygen defect).

【0016】ところが、直流電流を酸化チタンに流す
と、イオン電流によって、陰極から酸素イオンが陽極に
運ばれるので、陽極近傍では、酸素が過剰になる。結果
として、本来存在していた格子欠陥に酸素原子が入り込
み、格子欠陥を埋めてしまうので、チタン原子がドナー
でなくなり(即ち自由電子が無くなり)、電気伝導が悪
くなるという経時変化を生じる。
However, a direct current is passed through the titanium oxide.
Then, due to the ionic current, oxygen ions from the cathode to the anode
As it is transported, oxygen becomes excessive near the anode. result
As a result, oxygen atoms enter the originally existing lattice defects.
However, the titanium atom fills the lattice defects, so the titanium atom is a donor.
Is lost (that is, free electrons are lost), and the electric conduction is bad.
Change over time.

【0017】b)そこで、本発明では、その対策とし
て、チタン原子の代わりにチタン原子よりも自由電子の
数の多い(即ち原子価の多い)原子を、陽極周辺の酸化
チタンの格子に嵌め込むことを考え。例えばチタンより
一つ原子価の多いタンタル(Ta)をチタンの代わりに
格子に嵌め込むと、自由電子を有する格子となる。
B) Therefore, in the present invention, as a countermeasure,
Instead of the titanium atom,
Oxidize a large number of atoms (ie, high valence atoms) around the anode
Consider fitting it into a titanium lattice. For example, from titanium
Tantalum (Ta), which has a high valence, is used instead of titanium.
When fitted into the lattice, it becomes a lattice with free electrons.

【0018】つまり、タンタルの原子価は5であるの
で、1つの格子欠陥に対してチタンよりも自由電子が1
つ多く生じることになる。この事が、酸素の余剰によっ
て格子欠陥が消滅しても、電気伝導度の経時変化を抑え
る働きをする。即ち、直流電流で酸素イオンが運ばれ、
酸素が余剰になることで格子欠陥が無くなったとして
も、依然として1つの自由電子が残ることになる。
That is, the valence of tantalum is 5.
And, for one lattice defect, one free electron is more than titanium
Will occur more frequently. This is due to the excess oxygen
Suppresses the change in electrical conductivity over time even if lattice defects disappear.
Work. That is, oxygen ions are carried by direct current,
Assuming that lattice defects have disappeared due to excess oxygen
However, one free electron still remains.

【0019】つまり、本発明は、上述した原理によっ
て、電気伝導度の経時変化を効果的に抑制することがで
きる。この様に、本発明では、陽極周辺の感ガス層に
(過剰の電子を供給する)電子のドナー添加剤が加えら
れているので、陽極と陰極間のバイアスによるイオン電
流によって、陽極側の例えばTi 4+ 不足及びO 2- の過剰
になり、酸素欠陥に酸素原子が入り込んで酸素欠陥が減
少した場合でも、陽極周辺には過剰の電子が存在してい
る状態が維持される。そのため、長期間のガス検出器の
使用によって酸素欠陥が徐々に低下しても、この過剰の
電子により、陽極周辺の電気伝導度がそれほど減少せ
ず、よって、感ガス層の電極間抵抗の経時変化が低減さ
る。
That is, the present invention is based on the above-mentioned principle.
Therefore, it is possible to effectively suppress the change in electrical conductivity with time.
Wear. As described above, in the present invention, the gas-sensitive layer around the anode is formed.
Addition of electron donor additives (which supply excess electrons)
Therefore, due to the bias between the anode and cathode,
Flow, for example, Ti 4+ deficiency and O 2 − excess on the anode side.
And oxygen atoms enter the oxygen deficiency and the oxygen deficiency is reduced.
Even a little, there are excess electrons around the anode.
Is maintained. Therefore, long-term gas detector
Even if oxygen deficiency is gradually reduced by use, this excess
The electrons reduce the electrical conductivity around the anode so much.
Not, therefore, change with time of the inter-electrode resistance of the gas sensitive layer is Ru is reduced.

【0020】[0020]

【発明の効果】以上説明したように、本発明のガス検出
器によれば、使用に伴う劣化を低減し、安定した特性を
得ることができる。つまり、本発明によれば、陽極周辺
に電子のドナー添加剤を加えることによって、陽極周辺
の抵抗の増加に伴う劣化を抑制できる。
As described above, according to the gas detector of the present invention, deterioration due to use can be reduced and stable characteristics can be obtained. That is, according to the present invention, around the anode
In by adding an electron donor additive, Ru can suppress the deterioration with increasing near the anode resistance.

【0021】[0021]

【実施例】本発明の実施例を図面を用いて説明する。な
お、説明上各図の縮尺は異なる。まず、本発明の一実施
例を図1によって説明する。本実施例は、感ガス層とし
てTiO 2 を使用した酸素ガス検出器10である。
Embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. Note that the scale of each drawing is different for the sake of explanation. First, an embodiment of the present invention will be described with reference to FIG . The present embodiment is an oxygen gas detector 10 using TiO 2 as a gas sensitive layer.

【0022】図1の部分破断した斜視図に示すように、
セラミック基板12上には、端子13a,13b,13
eで白金リード線14a,14b,14eに接続された
検出用電極16a,16bおよび熱抵抗電極16e等の
電極パターン16が形成され、さらに上記セラミック基
板12上および電極パターン16上にセラミック基板1
2と一体化された第1のセラミック積層板18および第
1のセラミック積層板18上に第2のセラミック積層板
19がそれぞれ積層されている。この第1のセラミック
積層板18には、仕切り部18aで分けられた陽極側お
よび陰極側下窓部20a,20bが形成され、さらに、
第2のセラミック積層板19には、上記両下窓部20
a,20bとともに窓部20を形成する上窓部20cが
形成されている。
As shown in the partially cutaway perspective view of FIG.
On the ceramic substrate 12, the terminals 13a, 13b, 13
The electrode pattern 16 such as the detection electrodes 16a and 16b and the thermal resistance electrode 16e connected to the platinum lead wires 14a, 14b and 14e by e is formed, and the ceramic substrate 1 and the ceramic substrate 1 are further formed on the electrode pattern 16.
The first ceramic laminate 18 integrated with the second ceramic laminate 18 and the second ceramic laminate 19 are laminated on the first ceramic laminate 18 respectively. The first ceramic laminated plate 18 is formed with anode side and cathode side lower window portions 20a and 20b divided by a partition portion 18a, and further,
The second ceramic laminated plate 19 has two lower window parts 20.
a, 20 b and Uemado portion 20c which together form the window portion 20 is formed.

【0023】上記窓部20のうち陽極側および陰極側下
窓部20a,20bには、表1に示すような組成の陽極
側および陰極側ペーストが充填されて陽極側および陰極
側感ガス下層24a,24bが形成されており、さらに
上窓部20cには、通常のTiO 2 の感ガス層を形成す
るTiO 2 ペーストが充填されて感ガス上層24cが形
成されている。そして、これらの各層により感ガス層2
4が形成されている。また、上記セラミック基板12と
感ガス層24との間に両者の剥離を防ぐ球形造粒粒子2
2が介在している。
The anode side and cathode side lower window portions 20a and 20b of the window portion 20 are filled with the anode side and cathode side pastes having the compositions shown in Table 1 to form the anode side and cathode side gas-sensitive lower layers 24a. , 24b are formed, the more the upper window portion 20c, the gas sensitive layer 24c and TiO 2 paste forming the normal of the TiO 2 in the gas-sensitive layer is filled is formed. The gas sensitive layer 2 is formed by each of these layers.
4 are formed. In addition, the spherical granulated particles 2 for preventing the separation between the ceramic substrate 12 and the gas sensitive layer 24.
2 is interposed.

【0024】次に、上記酸素ガス検出器10の製造工程
図2ないし図6にしたがって説明する。 アルミナ92wt%、マグネシア3wt%、および焼結
助剤(シリカ、カルシア等)5wt%をポットミルにて2
0時間混合する。その後、該混合物に有機バインダーと
してポリビニールブチラール12wt%、フタル酸ジブチ
ル4wt%を添加し、溶剤としてメチルエチルケトン、ト
ルエン等を加えた。さらにポットミルで15時間混合し
てスラリーとし、ドクターブレード法により基板用およ
び積層用グリーンシート12A,18A,19Aを形成
する。
Next, will be described with reference to FIG. 2 through 6 a manufacturing process of the oxygen gas detector 10. 2 wt% of alumina, 3 wt% of magnesia, and 5 wt% of sintering aid (silica, calcia, etc.) in a pot mill
Mix for 0 hours. Then, 12% by weight of polyvinyl butyral and 4% by weight of dibutyl phthalate were added to the mixture as an organic binder, and methyl ethyl ketone, toluene and the like were added as a solvent. Further, the mixture is mixed in a pot mill for 15 hours to form a slurry, and the substrate and laminating green sheets 12A, 18A, 19A are formed by a doctor blade method.

【0025】上記グリーンシートの形状は、基板用グリ
ーンシート12Aで47.8mm×4.0mm×0.8
mm t 、第1,第2の積層用グリーンシート18A,1
9Aで47.8mm×4.0mm×0.28mm t であ
る。そして、上記第1の積層用グリーンシート18A
は、仕切り部18aで仕切られた2つの陽極側および陰
極側下窓部を3.05mm×0.8mmの寸法で形成
し、さらに、第2の積層用グリーンシート19Aの上窓
部20cを3.05mm×2.0mmの寸法で形成す
る。
The shape of the green sheet is 47.8 mm × 4.0 mm × 0.8 in the green sheet 12A for substrates.
mm t , first and second stacking green sheets 18A, 1
It is 47.8 mm × 4.0 mm × 0.28 mm t at 9A. Then, the first green sheet for lamination 18A
Forms the two anode-side and cathode-side lower window parts partitioned by the partition part 18a with a size of 3.05 mm × 0.8 mm, and further comprises the upper window part 20c of the second stacking green sheet 19A of 3 It is formed with dimensions of 0.05 mm × 2.0 mm.

【0026】 次に、白金黒とスポンジ状白金とを、
2:1の比率に調合し、他に上記で用いたグリーンシ
ートの材料混合物を10wt%添加し、ブチルカルビ
ル、エトセル等の溶剤を加えて、電極用ペーストとす
る。 次に、で調整した電極用ペーストを用い厚膜印刷
により、基板用グリーンシート12A上に電極パターン
16を形成する。電極パターン16として、上述したよ
うに、検出用電極パターン16a,16b、および感ガ
ス層24を加熱するためのヒータとなる熱抵抗電極パタ
ーン16eと、上記両パターン16の端子となる端子パ
ターン13a,13b,13eを形成する。(図2
(イ)(ロ)) その後、上記端子パターン13a,13b,13e
に、直径0.2mmの白金リード線14a,14b,1
4eをそれぞれ接続する(図3(イ)(ロ))。
Next, platinum black and sponge-like platinum
The green syrup used in the above was blended in a ratio of 2: 1.
10 wt% of the material mixture of butylTo
Solvent, etc., to form an electrode paste.
You. Next, thick film printing using the electrode paste adjusted in
The electrode pattern on the green sheet 12A for the substrate
16 is formed. The electrode pattern 16 has been described above.
Sea urchin, detection electrode patterns 16a and 16b, and
The thermal resistance electrode pattern serving as a heater for heating the spray layer 24.
Terminal 16e and a terminal pattern that serves as terminals for both patterns 16 described above.
The turns 13a, 13b, 13e are formed. (FIG.
(A) (b)) Thereafter, the terminal patterns 13a, 13b, 13e
The platinum lead wires 14a, 14b, 1 having a diameter of 0.2 mm
Connect 4e respectively (Figure 3(A) (b)).

【0027】 次に、上記基板用グリーンシート12
A上に第1の積層用グリーンシート18A、さらに第2
の積層用グリーンシート19Aを積層熱圧着して積層体
を形成する。このとき、該積層用グリーンシート18
A,19Aの窓部20には、検出用電極パターン16
a,16bの先端が露出している。そして、窓部20中
にで調整したグリーンシートと同一の材料からなる8
0〜150メッシュの球形造粒粒子(2次粒子)22を
分散付着させてから、上記積層体を1500℃で大気と
ほぼ同一雰囲気中にて2時間焼成することで一体となっ
たセラミック基板12およびセラミック積層板18,1
9を形成する(図4(イ)、(ロ))。
Next, the substrate green sheet 12
The first stacking green sheet 18A on A, and the second
The laminated green sheet 19A is laminated and thermocompression-bonded to form a laminated body. At this time, the green sheet for lamination 18
The detection electrode pattern 16 is provided on the windows 20 of A and 19A.
The tips of a and 16b are exposed. Then, it is made of the same material as the green sheet adjusted in the window 20.
A ceramic substrate 12 which is made integral by dispersing and adhering spherical granulated particles (secondary particles) 22 of 0 to 150 mesh for 2 hours at 1500 ° C. in substantially the same atmosphere as the atmosphere. And ceramic laminate 18,1
9 is formed ( FIGS. 4A and 4B ).

【0028】上述のように球形造粒粒子22を分散付着
させて焼成すると、各粒子22が、セラミック基板12
上に分散して凹凸面を形成する。 次に、セラミック積層板18,19の窓部20内
に、TiO 2 を主成分とする感ガス性の金属酸化物を充
填するのであるが、ここでは、まず、表1の試料No.
に示すような陽極側ペーストを調整する。
When the spherical granulated particles 22 are dispersed and adhered and fired as described above, the respective particles 22 are transferred to the ceramic substrate 12.
Dispersed on top to form an uneven surface. Next, the window portions 20 of the ceramic laminated plates 18 and 19 are filled with a gas-sensitive metal oxide containing TiO 2 as a main component. Here, first, the sample No. 1 in Table 1 is used.
An anode side paste as shown in 4 is prepared.

【0029】すなわち、大気中1200℃で1時間仮焼
した平均粒径1.2μmのTiO 2 粉末100重量部に
対して、電子導電性を高めるドナー添加剤として、平均
粒径0.5μmのTa 2 5 を5重量部添加し、触媒とし
て、白金黒20重量部を加え、さらに、バインダーとし
て、3重量%のエチルセルロースを2重量部だけ添加
し、これらをブチカルビトール(2−(2−ブトキシエ
トキシ)エタノールの商品名)中で混合し、300ポイ
ズの粘度にしてTiO 2 ペーストを調整する。そして、
この陽極側TiO 2 ペーストを、陽極側下窓部20a内
の陽極パターン16a上に20〜50μm厚膜塗布する
図5(イ)(ロ))。
That is, with respect to 100 parts by weight of TiO 2 powder having an average particle size of 1.2 μm which was calcined at 1200 ° C. for 1 hour in air, Ta having an average particle size of 0.5 μm was used as a donor additive for increasing electron conductivity. 5 parts by weight of 2 O 5 was added, 20 parts by weight of platinum black was added as a catalyst, and only 2 parts by weight of 3% by weight of ethyl cellulose was added as a binder. These were added to butycarbitol (2- (2- Butoxyethoxy) ethanol (trade name) and mixed to obtain a viscosity of 300 poise to prepare a TiO 2 paste. And
This anode side TiO 2 paste is applied as a 20 to 50 μm thick film on the anode pattern 16a in the anode side lower window portion 20a ( FIGS. 5A and 5B ).

【0030】一方、陰極側ペーストは、まず陽極側Ti
2 粉末の粒径より大きい平均粒径3.5μmのTiO 2
粉末の100重量部に対して、焼結の進行を抑制する焼
結抑止剤として、Y 2 3 7モル%含有のZrO 2 を5重
量部、そして触媒として白金黒20重量部を加えて、以
下、陽極側ペーストと同様に調整する。そして、この陰
極側ペーストを陰極側下窓部20b内に20〜50μm
厚膜塗布する。
On the other hand, as for the paste on the cathode side, first, Ti on the anode side is prepared.
TiO 2 having an average particle size of 3.5 μm larger than that of O 2 powder
To 100 parts by weight of the powder, 5 parts by weight of ZrO 2 containing 7 mol% of Y 2 O 3 as a sintering inhibitor for suppressing the progress of sintering, and 20 parts by weight of platinum black as a catalyst were added, Hereinafter, the same adjustment as for the anode paste is performed. Then, the cathode-side paste is applied to the cathode-side lower window portion 20b in an amount of 20 to 50 μm.
Apply thick film.

【0031】次に、陽極および陰極の両電極にまたがっ
て塗布されるペーストを調整するのであるが、まず、平
均粒径1.2μmのTiO 2 粉末100重量部に対し
て、触媒として白金黒10重量部とロジウム黒1重量部
を加え、上記ペーストと同様に調整してペーストを作
る。そして、このペーストを上記両層上の上窓部内20
cに50〜500μm厚膜印刷する。
Next, the paste applied over both the anode and cathode electrodes is prepared. First, 100 parts by weight of TiO 2 powder having an average particle size of 1.2 μm is used as a catalyst for platinum black 10 Add 1 part by weight of rhodium black and 1 part by weight of rhodium black to prepare a paste in the same manner as the above paste. Then, paste this paste into the upper window part 20 on both layers.
Print 50 to 500 μm thick film on c.

【0032】 その後に、上記工程を終えた積層体を
1200℃の大気中に1時間放置して焼成する(図6
(イ)(ロ))。上記の工程で用いる陽極側および陰
極側ペーストの組成を表1のように変えて酸素ガス検出
の試料を作成する。この試料を酸素ガス検出器に組み
立たてた後に、次の実験によって各試料の応答速度、耐
久性を測定する。実験の結果を表2に示す。 ○ 応答速度試験 プロパンガスバーナの排ガス中に酸素ガス検出器
して組み立てられた試料をさらす。このプロパンガスバ
ーナは、排気温が350℃で、かつ1秒毎に空気燃料比
が燃料過剰(以下リッチという、空気燃料比λ=0.
9)と燃料不足(以下リーンという、λ=1.1)との
間で変化するよう制御されている。
After that, the laminated body that has undergone the above steps is
Bake by leaving it in the air at 1200 ° C for 1 hour (Figure 6
(A) (b)). Anode side and shade used in the above steps
The composition of the pole-side pasteTable 1Change likeOxygen gas detection
vesselMake a sample of. This sampleOxygen gas detectorAssembled in
After standing, the response speed and
Measure endurance. The result of the experimentTable 2Shown in. ○ Response speed test In the exhaust gas of propane gas burnerOxygen gas detectorWhen
And expose the assembled sample. This propane gas bar
The exhaust gas temperature is 350 ° C and the air fuel ratio
Is excessive fuel (hereinafter referred to as rich, air-fuel ratio λ = 0.
9) and fuel shortage (hereinafter referred to as lean, λ = 1.1)
Controlled to change between.

【0033】 排ガスがリッチのときに酸素ガス検出
の出力が1V、リーンの時の出力が0Vとなるよう
に、酸素ガス検出器に加える電圧を調整する。 応答速度として、雰囲気がリーンからリッチに変わ
る時の酸素ガス検出器の出力が300mVから600mVに
変化する時間と、雰囲気がリッチからリーンに変わる時
の出力が600mVから300mVに変化する時間を測定す
る。 ○ 耐久性試験 酸素ガス検出器Sとして組み立てられた試料を実車
に取り付け、所定の耐久パターンで運転し、運転の前後
の応答速度変化から耐久性を調べる。すなわち、酸素ガ
ス検出器Sは、図7に示すように市販の2000ccのE
FI付3元触媒車のエンジンEngと3元触媒THC との間
の排気管Manに取り付けられる。そして、制御ユニットU
ni は酸素ガス検出器Sの出力に応じてエンジンの運転
状態を制御する。酸素ガス検出器Sの出力は図8のよう
な回路で検出される。ここで、Bは電源、Rcは比較抵抗
である。
Oxygen gas detection when exhaust gas is rich
The voltage applied to the oxygen gas detector is adjusted so that the output of the detector is 1V and the output when lean is 0V. As the response speed, measure the time when the output of the oxygen gas detector changes from 300 mV to 600 mV when the atmosphere changes from lean to rich, and the time when the output changes from 600 mV to 300 mV when the atmosphere changes from rich to lean. . Durability test A sample assembled as the oxygen gas detector S is attached to an actual vehicle, operated in a predetermined durability pattern, and durability is examined from the change in response speed before and after the operation. That is, oxygen gas
The detector S is a commercially available 2000cc E as shown in FIG.
It is attached to the exhaust pipe Man between the engine Eng of the three-way catalyst vehicle with FI and the three-way catalyst THC. And the control unit U
ni controls the operating state of the engine according to the output of the oxygen gas detector S. The output of the oxygen gas detector S is detected by the circuit shown in FIG. Here, B is a power supply and Rc is a comparison resistance.

【0034】 上記エンジンEng を、図9に示す耐久
パターンで300時間運転する。なお、図中の実線は試
料の温度、破線は排気ガスの温度を示している。この運
転の前後で、上述の応答速度Tlr,Trlを測定し、その
変化をもって耐久性の結果とする。すなわち、運転の前
後で、応答速度の変化の少ない試料ほど耐久性に優れて
いると判定する。なお、表2中では、運転前を初期、運
転後を耐久試験後と記す。また、RTは、リッチにおけ
る電極13a,13b間の抵抗値を示す。
The engine Eng is operated for 300 hours in the endurance pattern shown in FIG . The solid line in the figure shows the temperature of the sample, and the broken line shows the temperature of the exhaust gas. The response speeds Tlr and Trl described above are measured before and after this operation, and the change is taken as the result of durability. That is, it is determined that the sample having less change in response speed before and after the operation has more excellent durability. In Table 2 , before operation is described as initial and after operation is described as after durability test. Also, RT should be rich
The resistance value between the electrodes 13a and 13b is shown.

【0035】[0035]

【表1】 [Table 1]

【0036】[0036]

【表2】 [Table 2]

【0037】上記実験から表2に示すように、次のこと
が分かった。実施例の試料No.2〜6のように、陽極
周辺の感ガス層にTa 2 5 またはNb 2 5 が含まれてい
ると、電極間の抵抗RTが初期値から耐久試験後の値と
比較して、ほとんど変化なく、比較例の試料No.1の
試験結果と比べてその効果が顕著である。
From the above experiment, as shown in Table 2 , the following was found. Sample No. of the example . When Ta 2 O 5 or Nb 2 O 5 is contained in the gas sensitive layer around the anode as in Nos. 2 to 6 , the resistance RT between the electrodes is almost equal to the value after the durability test from the initial value. No change, sample No. of the comparative example. One
Its effect is Ru remarkable der compared with the test results.

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

【図1】 本発明の一実施例による酸素ガス検出器を示
す部分破断斜視図である。
FIG. 1 is a partially cutaway perspective view showing an oxygen gas detector according to an embodiment of the present invention.

【図2】 実施例の製造の説明図である。FIG. 2 is an explanatory diagram of manufacturing of an example.

【図3】 実施例の製造の説明図である。FIG. 3 is an explanatory diagram of manufacturing of an example.

【図4】 実施例の製造の説明図である。FIG. 4 is an explanatory diagram of manufacturing of the example.

【図5】 実施例の製造の説明図である。FIG. 5 is an explanatory diagram of manufacturing of the example.

【図6】 実施例の製造の説明図である。FIG. 6 is an explanatory diagram of manufacturing of the example.

【図7】 酸素ガス検出器を内燃機関に使用する耐久性
試験の要領説明図である。
FIG. 7 is a diagram for explaining the procedure of a durability test using an oxygen gas detector in an internal combustion engine.

【図8】 酸素ガス検出器を内燃機関に使用する耐久性
試験の要領説明図である。
FIG. 8 is a diagram for explaining the procedure of a durability test in which an oxygen gas detector is used in an internal combustion engine.

【図9】 試験の耐久パターン図である。 [9] Ru durable pattern diagram der of the test.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

10・・・酸素ガス検出器、12・・・セラミック基
板、16,16a,16b・・電極パターン(電極)、
18・・・第1のセラミック積層板、19・・・第2の
セラミック積層板、20・・・窓部、24・・・感ガス
10 ... Oxygen gas detector , 12 ... Ceramic substrate, 16, 16a, 16b ... Electrode pattern (electrode),
18 ... 1st ceramic laminated board, 19 ... 2nd ceramic laminated board, 20 ... Window part, 24 ... Gas sensitive layer

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】 陽極および陰極からなる1対の電極と、 この電極を覆い、感ガス性の遷移金属酸化物を含み、ガ
ス成分および/またはガス濃度に応じて電気抵抗が変化
する多孔質の感ガス層と 備え、 上記陽極周辺の感ガス層に、上記遷移金属より原子価
大きい元素を含んだ電子のドナー添加剤を添加したこと
を特徴とするガス検出器。
1. A pair of electrodes consisting of an anode and a cathode, and a porous electrode covering the electrodes and containing a gas-sensitive transition metal oxide, the electric resistance of which changes depending on the gas component and / or the gas concentration. comprising a gas sensing layer, and the gas-sensitive layer near the anode, a gas detector, characterized in that the addition of an electron donor additive containing a valence of greater element from the transition metal.
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