JP2593823Y2 - Gas detector - Google Patents

Gas detector

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JP2593823Y2
JP2593823Y2 JP1992005287U JP528792U JP2593823Y2 JP 2593823 Y2 JP2593823 Y2 JP 2593823Y2 JP 1992005287 U JP1992005287 U JP 1992005287U JP 528792 U JP528792 U JP 528792U JP 2593823 Y2 JP2593823 Y2 JP 2593823Y2
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一洋 高橋
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Description

【考案の詳細な説明】[Detailed description of the invention]

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本考案は限界電流式のガス検知装
置に関し、特に誤った検知出力を与えることがないガス
検知装置に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a gas detector of a limiting current type, and more particularly to a gas detector which does not give an erroneous detection output.

【0002】[0002]

【従来の技術及び考案が解決しようとする課題】従来か
ら、空気中の各種のガスの濃度を測定するために種々の
タイプのセンサが提案され、使用されている。その代表
的なセンサの一つに限界電流式センサがあるが、これ
は、酸素イオンや水素イオン等の伝導体である固体電解
質の基板の両面に電極を設けるとともに、検知対象ガス
が一方の電極に到達するのを構造的に制限しておき、こ
の電極間に電圧を印加して検知対象ガスのイオン電流を
生じさせ、電極間に流れる電流値(限界電流値)を測定
することにより検知対象ガスの濃度を測定するものであ
る。
2. Description of the Related Art Conventionally, various types of sensors have been proposed and used for measuring the concentration of various gases in air. One of the representative sensors is a limiting current type sensor, which has electrodes on both sides of a solid electrolyte substrate which is a conductor such as oxygen ions and hydrogen ions, and a detection target gas is one electrode. Is reached by applying a voltage between the electrodes to generate an ionic current of the gas to be detected, and measuring a current value (limit current value) flowing between the electrodes to detect the object. It measures the concentration of gas.

【0003】この方式のガス検知素子は、その構造から
大別すると4種類のタイプがある。第一のタイプは、た
とえば特公昭49−19838号に示されるような素子
であり、図に示す構造を有する。すなわち、固体電解
質基板2の両面に多孔質の電極3a、3bを設け、この
電極3a、3b間に電圧を印加することができる構造と
なっている。
[0003] There are four types of gas detection elements of this type when roughly classified according to their structure. The first type, for example, a device as shown in Japanese Patent Publication No. 49-19838 has the structure shown in FIG. That is, a porous electrode 3a, 3b is provided on both surfaces of the solid electrolyte substrate 2, and a voltage can be applied between the electrodes 3a, 3b.

【0004】図に示す例のガス検知素子の場合、たと
えば固体電解質基板2をジルコニア系の基板とし、酸素
ガス濃度を測定する素子とすると、酸素ガスが多孔質電
極3aを通過して固体電解質基板2に到達し、そこでイ
オン化されて酸素イオンとなる。電極3a、3b間に電
圧が印加されているので(電極3aを負極とする)、酸
素イオンは電極3bに向かって移動する。そして電極3
bで酸素イオンが再び酸素分子となり、電極3bの孔部
を通過して外部に放出される。このように、酸素のイオ
ン化及びイオンのガス化に伴う電荷の移動が生じるの
で、電源と素子を繋いだ回路に電流が流れる。回路に流
れる電流は、印加電圧を大きくするとそれに伴い増大す
るが、多孔質の電極により固体電解質基板2に流入する
ガス量が制限されることになり、電極に印加する電圧を
大きくしていっても、ある特定の電圧値以上では回路を
流れる電流値が実質的に変わらなくなる。この状態は限
界電流状態と呼ばれるが、この限界電流状態における電
流値(限界電流値)は検知対象ガスの分圧(濃度)を反
映したものであり、この限界電流値を測定することでガ
スの検知をする。
In the case of the gas sensing element shown in FIG. 3 , for example, if the solid electrolyte substrate 2 is a zirconia-based substrate and an element for measuring the oxygen gas concentration, the oxygen gas passes through the porous electrode 3a and passes through the solid electrolyte. It reaches the substrate 2, where it is ionized to oxygen ions. Since a voltage is applied between the electrodes 3a and 3b (the electrode 3a is a negative electrode), the oxygen ions move toward the electrode 3b. And electrode 3
At b, the oxygen ions become oxygen molecules again and pass through the holes of the electrode 3b and are released to the outside. As described above, charge transfer occurs due to oxygen ionization and ion gasification, so that current flows through a circuit connecting the power supply and the element. The current flowing in the circuit increases with an increase in the applied voltage, but the amount of gas flowing into the solid electrolyte substrate 2 is limited by the porous electrode, and the voltage applied to the electrode is increased. However, the current value flowing through the circuit does not substantially change above a certain voltage value. This state is called a limit current state, and the current value (limit current value) in this limit current state reflects the partial pressure (concentration) of the gas to be detected. Make a detection.

【0005】このタイプのガス検知素子では、上述の通
り、多孔質の電極3a、3bの多孔度を小さくすること
により電極を通過するガスの流入量を制限して、限界電
流状態を得るが、電極の多孔度をより小さくしていく
と、電極と固体電解質とガス相の三相界面の面積が減少
するためにイオン化速度が小さくなり、結果として対象
ガスの分圧が大きい場合にはガス検知の精度が大きく低
下する欠点を有する。
In this type of gas detection element, as described above, the porosity of the porous electrodes 3a and 3b is reduced to limit the amount of gas flowing through the electrodes, thereby obtaining a limit current state. As the porosity of the electrode becomes smaller, the area of the three-phase interface between the electrode, the solid electrolyte, and the gas phase decreases, and the ionization rate decreases. Has the disadvantage that the accuracy of the method is greatly reduced.

【0006】第二のタイプのガス検知素子は、たとえば
特公昭59−26895号に示されているものであり、
に示すような構造を有する。このガス検知素子にお
いては、固体電解質基板2の両面に多孔質の電極3a、
3bが設けられているとともに、その陰極側(電極3a
側)に内部室6を形成するように封止部材4が設置され
ている。封止部材4には内部室6に通ずる微小なガス拡
散孔5が形成されており、このガス拡散孔5により電極
3aの表面へのガスの流入を制限している。このタイプ
のガス検知素子は、前述の第一のタイプのガス検知素子
に比べて高いガス分圧まで測定が可能である。
A second type of gas detection element is disclosed, for example, in Japanese Patent Publication No. 59-26895.
It has a structure shown in FIG. In this gas sensing element, porous electrodes 3a are provided on both sides of the solid electrolyte substrate 2,
3b is provided and its cathode side (electrode 3a
The sealing member 4 is installed so as to form the internal chamber 6 on the side). Fine gas diffusion holes 5 communicating with the internal chamber 6 are formed in the sealing member 4, and the gas diffusion holes 5 restrict the flow of gas into the surface of the electrode 3 a. This type of gas detection element can measure up to a higher gas partial pressure than the first type of gas detection element described above.

【0007】第三のタイプは、たとえば特願昭62-23603
4 号に示されているものであり、図に示す構造を有す
る。ここでは、固体電解質基板2に微小なガス拡散孔5
を設け、この固体電解質基板2の両面を多孔質の電極3
a、3bで覆っている。また、陰極(電極3a)は封止
部材4により密封された状態となっている。検知対象ガ
スは多孔質の電極3bを通過後、ガス拡散孔5及び多孔
質の電極3aを通って内部室6に到達する。この第三の
タイプのガス検知素子では、多孔質の電極がごみよけの
フィルタの役目を果たすため、汚れに強い。また、封止
部材4の外側の面41はフリーであるから、この面に別
種のガスの感応膜を形成しておき、多機能化したガス検
知素子とすることができるという利点も有する。
A third type is disclosed, for example, in Japanese Patent Application No. 62-23603.
Are those shown in No. 4, having the structure shown in FIG. Here, minute gas diffusion holes 5 are formed in the solid electrolyte substrate 2.
Are provided, and both surfaces of the solid electrolyte substrate 2 are porous electrodes 3
a, 3b. Further, the cathode (electrode 3 a) is in a state of being sealed by the sealing member 4. After passing through the porous electrode 3b, the detection target gas reaches the internal chamber 6 through the gas diffusion holes 5 and the porous electrode 3a. In this third type of gas detection element, the porous electrode serves as a dust filter, and thus is resistant to dirt. In addition, since the outer surface 41 of the sealing member 4 is free, there is an advantage that a gas sensing element having a multi-function can be formed by forming a sensitive film of another kind of gas on this surface.

【0008】第四のタイプは、たとえば特公平2−48
58号に示されているものであり、図に示すような構
造となっている。すなわち、固体電解質基板2の両面に
多孔質の電極3a、3bを設けるとともに、その一方の
電極を多孔質のセラミック材17で覆い、この多孔質のセ
ラミック材17により、電極(図の例では電極3a)へ
のガス流入を制限した構成となっている。この構成のガ
ス検知素子では、多孔質のセラミック材17の多孔度を再
現性良く製造しなければならず、製造条件を厳しく管理
する必要がある。というのは、セラミック材17の多孔度
が製品毎に変化すれば、ガス検知素子の精度にばらつき
が生じるからである。
The fourth type is, for example, Japanese Patent Publication No. 2-48.
It is those shown in No. 58, and has a structure as shown in FIG. That is, the solid electrolyte porous electrode 3a on both sides of the substrate 2, provided with a 3b, covering the one electrode in the ceramic material 17 of the porous, this porous ceramic member 17, the electrodes (in the example of FIG. 6 The configuration is such that the gas flow into the electrode 3a) is restricted. In the gas detection element having this configuration, the porosity of the porous ceramic material 17 must be manufactured with good reproducibility, and the manufacturing conditions must be strictly controlled. This is because if the porosity of the ceramic material 17 changes for each product, the accuracy of the gas detection element varies.

【0009】以上述べたいずれのタイプでも、検知対象
ガスの電極表面への流入を制限して限界電流状態を作り
出す構成となっているが、上述した4つのタイプのガス
検知素子の中では、製造上からくる性能のバラツキの問
題や、検知信号(センサの出力)の再現性の観点から第
二、第三のもの(すなわち、固体電解質基板に微小なガ
ス拡散孔を設けてなるもの)が比較的多く使用されてい
る。しかしながら、第二、第三のタイプのガス検知素子
では、微小なガス拡散孔にゴミ等の異物が詰まることが
あり、その場合ガス拡散抵抗が大きくなってセンサの出
力(限界電流値)が小さくなり、検知装置の精度、確度
が低下する欠点がある。実際、センサ素子を1つ用いた
単一信号による検知装置では、被検ガスの濃度が低下し
てセンサ出力が低下したのか、異物による微小なガス拡
散孔の詰まりによりセンサ出力が低下したのか、判別が
できない。また、通常、この種のセンサ素子において
は、ガス拡散孔の径は数ミクロンから数十ミクロン程度
であり、異物によるガス拡散孔の詰まりを防止する有効
な手段はない。
In any of the above-described types, the limit current state is created by restricting the flow of the gas to be detected to the electrode surface. Compared with the second and third ones (that is, those with minute gas diffusion holes in the solid electrolyte substrate) from the viewpoint of performance variations coming from above and the reproducibility of the detection signal (sensor output) Many are used. However, in the second and third types of gas detection elements, foreign substances such as dust may be clogged in the minute gas diffusion holes. In this case, the gas diffusion resistance increases and the sensor output (limit current value) decreases. Therefore, there is a disadvantage that the accuracy and accuracy of the detection device are reduced. In fact, in a single-signal detection device using one sensor element, whether the concentration of the test gas has decreased and the sensor output has decreased, or whether the sensor output has decreased due to clogging of minute gas diffusion holes by foreign matter, Cannot determine. Usually, in this type of sensor element, the diameter of the gas diffusion hole is about several microns to several tens of microns, and there is no effective means for preventing clogging of the gas diffusion hole by foreign matter.

【0010】そこで、確実なガス濃度検知を行うため
に、同種のセンサを2個以上同時に作動させてそれぞれ
の検知信号を取り出し、これらを比べて正確なガス濃度
を求める方法も考えられるが、これは経済的ではない。
特に、この種のセンサ素子では、通常、ヒータを用いて
素子を300 〜450 ℃程度の作動温度に維持するため、一
か所の検知部位に複数のセンサ素子を設置することによ
るコストの増大のみならず、ヒータの消費電力もかなり
大きくなる。
In order to reliably detect gas concentration, a method of simultaneously operating two or more sensors of the same type to extract respective detection signals and comparing these signals to obtain an accurate gas concentration can be considered. Is not economical.
In particular, in this type of sensor element, since the element is usually maintained at an operating temperature of about 300 to 450 ° C. by using a heater, only an increase in cost due to installing a plurality of sensor elements at one detection site is required. In addition, the power consumption of the heater is considerably increased.

【0011】従って、本考案の目的は、誤った検知出力
を与えることがなく、消費電力も大きくならないガス検
知装置を提供することである。
Accordingly, it is an object of the present invention to provide a gas detection device that does not give an erroneous detection output and does not increase power consumption.

【0012】[0012]

【課題を解決するための手段】上記目的に鑑み鋭意研究
の結果、本考案者は、ヒータを埋設した電気絶縁性の高
いセラミックス製の1枚のセンサ基板の両面上に、ガス
拡散孔を有するとともに、その両面に正負の多孔質電極
を有する固体電解質基板と、上記センサ基板と、スペー
サとにより内部室を形成してなるガス検知素子部を2箇
所以上形成し、この複数のガス検知素子部から同時に
信号を取り出せば、確実なガス検知を行うことがで
き、また1つのヒータだけを使用しているのでガス検知
装置の消費電力も大きくなることはなく、さらにヒータ
がセラミックスに埋設されているので劣化がないことを
発見し、本考案に想到した。
As a result of intensive studies in view of the above-mentioned objects, the present inventor has found that a gas diffusion hole is provided on both sides of a single sensor substrate made of ceramics having a high electrical insulation in which a heater is embedded. In addition, two or more gas sensing element portions each having an internal chamber formed by the solid electrolyte substrate having positive and negative porous electrodes on both surfaces thereof, the sensor substrate, and the spacer are formed. At the same time test from
If the knowledge signal is taken out, reliable gas detection can be performed. Also, since only one heater is used, the power consumption of the gas detection device does not increase, and the heater is embedded in ceramics. We discovered that there was no deterioration, and came to the present invention.

【0013】すなわち、本考案のガス検知装置は、ヒー
タを埋設した電気絶縁性セラミックス製センサ基板の両
面上に、 (a) ガス拡散孔を有する固体電解質基板と、 (b) 前記固体電解質基板の両面に形成された正負の多孔
質電極と、 (c) 前記センサ基板と前記固体電解質基板との間に配置
されて、前記センサ基板と前記固体電解質基板と組み合
わさって内部室を形成するスペーサとを有するガス検知
素子部が、1つずつ形成されてなることを特徴とする。
That is, the gas detection device according to the present invention comprises: (a) a solid electrolyte substrate having gas diffusion holes on both surfaces of an electrically insulating ceramic sensor substrate having a heater embedded therein; Positive and negative porous electrodes formed on both sides, (c) a spacer disposed between the sensor substrate and the solid electrolyte substrate to form an internal chamber in combination with the sensor substrate and the solid electrolyte substrate. Are formed one by one.

【0014】[0014]

【実施例及び作用】以下、本考案を添付図面を参照して
詳細に説明する。図1は本考案の一実施例によるガス検
知装置を示す概略断面図である。このガス検知装置1
は、ヒータ8を内部に埋設してなる電気絶縁性セラミッ
クスからなる1枚のセンサ基板7の両面に、それぞれ以
下に示す構成のガス検知素子部が1つずつ形成されてい
る。センサ基板7の両側に形成されたガス検知素子部1
0、10′は実質的に同一の構成であるので、一方のガス
検知素子部10の構造のみを説明することにする
DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS The present invention will be described below in detail with reference to the accompanying drawings. FIG. 1 is a schematic sectional view showing a gas detection device according to an embodiment of the present invention. This gas detection device 1
In the first embodiment, a gas detecting element portion having the following configuration is formed on each of both surfaces of one sensor substrate 7 made of an electrically insulating ceramic having a heater 8 embedded therein. Gas detection element portions 1 formed on both sides of sensor substrate 7
Since 0 and 10 'have substantially the same configuration, only the structure of one of the gas detection element sections 10 will be described.

【0015】ヒータ8を埋設したセンサ基板7の一方の
面上には、微小なガス拡散孔5を有する固体電解質基板
2と、この固体電解質基板2のそれぞれの面上に形成さ
れた多孔質の電極3a、3bと、固体電解質基板2とセ
ンサ基板7との間に設置され、電極3aの形成面側に内
部室6を形成するように配置されたスペーサ9とを有す
るガス検知素子部10が形成されている。また電極3a、
3bにはリード線11、12が接続されており、直列に配列
した電源及び電流計につながっている。さらにヒータ8
にもリード線13、14が接続されており、外部電源につな
がっている。
On one surface of the sensor substrate 7 in which the heater 8 is embedded, a solid electrolyte substrate 2 having minute gas diffusion holes 5 and a porous electrolyte formed on each surface of the solid electrolyte substrate 2 are provided. A gas detection element unit 10 having electrodes 3a and 3b and a spacer 9 provided between the solid electrolyte substrate 2 and the sensor substrate 7 and arranged to form an internal chamber 6 on the surface on which the electrode 3a is formed is provided. Is formed. Also, the electrodes 3a,
Leads 11 and 12 are connected to 3b, and are connected to a power supply and an ammeter arranged in series. Further heater 8
Lead wires 13 and 14 are also connected to an external power supply.

【0016】上述の通り、内部室6は固体電解質基板2
とスペーサ9とセンサ基板7とによって規定されるが、
この内部室6は、微小なガス拡散孔5(及び電極3a、
3bの孔)のみで外部と連通している。
As described above, the internal chamber 6 is provided with the solid electrolyte substrate 2.
, The spacer 9 and the sensor substrate 7,
The internal chamber 6 is provided with the minute gas diffusion holes 5 (and the electrodes 3a,
Only the hole 3b) communicates with the outside.

【0017】上述したように、センサ基板7の他方の面
にも、上記した構成と実質的に同一のもう一つのガス検
知素子部10′が形成されている。したがって、図1から
わかるように、この二つのガス検知素子部10、10′にお
いて、センサ基板7(及びヒータ8)は共通の部分とな
る。
As described above, the other surface of the sensor substrate 7 is formed with another gas detecting element portion 10 'substantially identical to the above-described structure. Therefore, as can be seen from FIG. 1, the sensor substrate 7 (and the heater 8) is a common part in the two gas detection element sections 10, 10 '.

【0018】固体電解質基板2としては、検知対象ガス
が酸素である場合、酸素イオン伝導体であるジルコニア
系基板を用いる。このとき、ジルコニアに安定化剤とし
てイットリア、カルシア、セリア等の少なくとも1種を
添加したものを用いるのがよい。なお、固体電解質基板
としてはジルコニア系のものに限らず、対象ガスに応じ
て、そのガス種のイオンを伝導する材料を適宜選択して
用い、酸素以外のガスの検知素子とすることができる。
When the gas to be detected is oxygen, a zirconia-based substrate that is an oxygen ion conductor is used as the solid electrolyte substrate 2. At this time, it is preferable to use zirconia to which at least one of yttria, calcia, ceria, and the like is added as a stabilizer. The solid electrolyte substrate is not limited to a zirconia-based substrate, and a material that conducts ions of the gas species may be appropriately selected and used according to a target gas to be used as a sensing element for a gas other than oxygen.

【0019】固体電解質基板2の両側に形成された電極
3a、3bは多孔質物質からなる。電極3a、3bは触
媒活性化電極として機能するため、Pt、Pd、Ag、Rh、In
等の金属材料、もしくはこれらの合金材料、またはシン
タリングを防止するためにこれらの金属材料のうちの少
なくとも1種と、ジルコニアや窒化硼素等の難焼結材と
の混合物を用いるのが好ましい。特にPt、又はPtとジル
コニアの混合物を用いるのが好ましい。なお内部室6内
に形成される電極3aが負極となる。
The electrodes 3a and 3b formed on both sides of the solid electrolyte substrate 2 are made of a porous material. Since the electrodes 3a and 3b function as catalyst activation electrodes, Pt, Pd, Ag, Rh, In
In order to prevent sintering, it is preferable to use a mixture of at least one of these metal materials, an alloy material thereof, and a sintering material such as zirconia and boron nitride. In particular, it is preferable to use Pt or a mixture of Pt and zirconia. The electrode 3a formed in the inner chamber 6 becomes a negative electrode.

【0020】スペーサ9としては、固体電解質基板2と
同程度の熱膨張率を有する無機物質(ガラス質等の封着
材)を用いるのがよい。
As the spacer 9, it is preferable to use an inorganic substance (a sealing material such as a vitreous material) having the same thermal expansion coefficient as that of the solid electrolyte substrate 2.

【0021】センサ基板7としては、酸化物セラミック
ス、炭化物セラミックス又は窒化物セラミックスを主成
分としたセラミックス部材から形成するのがよい。具体
的には、酸化物セラミックスとしては、Al2 O 3 、MgO
、SiO 2 、BeO 、CaO 、ThO2 、HfO 2 、TiO 2 、Cr2
O 3 等が挙げられる。また炭化物セラミックスとして
は、Cr2 C 3 、Be2 C 、TiC 、ZrC 、VC、NbC 、HfC 、
TaC 、SiC 、B 4 C 、Mo2 C 、WC等が挙げられる。さら
に窒化物セラミックスとしては、TiN 、Si3 N 4、ZrN
、HfN 、AlN 等が挙げられる。好ましいセラミックス
としては、工業的に入手しやすく、かつ比較的に強度の
高いAl2 O 3 、MgO 、SiO 2 等が挙げられる。
The sensor substrate 7 is preferably formed from a ceramic member containing oxide ceramic, carbide ceramic or nitride ceramic as a main component. Specifically, oxide ceramics include Al 2 O 3 , MgO
, SiO 2 , BeO, CaO, ThO 2 , HfO 2 , TiO 2 , Cr 2
O 3 and the like. The carbide ceramics include Cr 2 C 3 , Be 2 C, TiC, ZrC, VC, NbC, HfC,
TaC, SiC, B 4 C, Mo 2 C, WC and the like. Further, as nitride ceramics, TiN, Si 3 N 4 , ZrN
, HfN, AlN and the like. Preferred ceramics include Al 2 O 3 , MgO, and SiO 2 which are industrially easily available and have relatively high strength.

【0022】図1に示すガス検知装置1のように、セン
サ基板7はヒータが埋設されている。ヒータ8の材料と
しては、白金、白金系合金、ニクロム等を用いることが
できる。
As in the gas detector 1 shown in FIG. 1, the sensor substrate 7 has a heater embedded therein. As a material of the heater 8, platinum, a platinum-based alloy, nichrome, or the like can be used.

【0023】図1に示すようなヒータ8を埋設したセン
サ基板7は、上述したセンサ基板7の構成材料であるセ
ラミックス(たとえばアルミナ等)のグリーンシート上
に、白金、白金系合金、ニクロム等のペーストをスクリ
ーン印刷し、この上にさらにセラミックスのグリーンシ
ートを重ね、これを焼成することにより製造することが
できる。埋設したヒータ8に接続するリード線をセンサ
基板7から取り出すにはスルーホールを用いればよい。
A sensor substrate 7 having a heater 8 embedded therein as shown in FIG. 1 is provided on a green sheet of ceramics (for example, alumina) which is a constituent material of the above-mentioned sensor substrate 7 on a green sheet of platinum, a platinum-based alloy, nichrome or the like. The paste can be manufactured by screen-printing the paste, further laminating a ceramic green sheet on the paste, and firing the green sheet. A through hole may be used to take out a lead wire connected to the embedded heater 8 from the sensor substrate 7.

【0024】なお電極3a、3b及びヒータ8に接続す
るリード線としては白金線等を用いることができる。
A lead wire connected to the electrodes 3a and 3b and the heater 8 may be a platinum wire or the like.

【0025】以上の構造のガス検知装置1によりガス濃
度を検知する場合、ヒータ8を加熱して所定の作動温度
にガス検知装置1を保つ。電極3a、3bに電圧を印加
すると、内部室6内にある電極3aの表面において検知
対象ガスがイオン化する(検知対象ガスが酸素である場
合には、酸素分子イオンO2 - となる)。電極3a、3
b間には電圧がかかっているので、イオン化した分子は
固体電解質基板2内をもう一方の電極3bに向かって移
動する。電極3bに到達したイオン化した分子はそこで
電子を放出し、もとの分子に戻り、大気中に放出され
る。これにより、電極3a、3b間には電流が流れるこ
とになる。先に述べたように、内部室内に流入する検知
対象ガス分子の流量はガス拡散孔5により制限されるた
め、電極3a、3bに印加する電圧を変化させても、上
述の電流が変化しないいわゆる限界電流状態が生じる。
この限界電流の大きさは雰囲気中の検知対象ガスの濃度
に応じて変化するので、ガス濃度を知ることができる。
When the gas concentration is detected by the gas detector 1 having the above structure, the heater 8 is heated to keep the gas detector 1 at a predetermined operating temperature. Electrode 3a, when a voltage is applied to 3b, the detection target gas is ionized at the surface of the electrodes 3a in the interior chamber 6 (when the detection target gas is oxygen, oxygen molecular ion O 2 - a). Electrodes 3a, 3
Since a voltage is applied between the electrodes b, the ionized molecules move inside the solid electrolyte substrate 2 toward the other electrode 3b. The ionized molecules reaching the electrode 3b emit electrons there, return to the original molecules, and are emitted to the atmosphere. As a result, a current flows between the electrodes 3a and 3b. As described above, since the flow rate of the gas molecules to be detected flowing into the internal chamber is limited by the gas diffusion holes 5, the above-described current does not change even when the voltage applied to the electrodes 3a and 3b is changed. A limiting current condition occurs.
Since the magnitude of the limiting current changes according to the concentration of the gas to be detected in the atmosphere, the gas concentration can be known.

【0026】ガス検知装置1では、センサ基板7の両面
にそれぞれ1個ずつガス検知素子部を有するが、ガス検
知素子部10及び10′のそれぞれにおける固体電解質基板
の特性、微小なガス拡散孔の大きさ、電極の構成等を同
一にしておけば、両ガス検知素子部10、10′から得られ
る限界電流値はほぼ同等の値を有する。こうして得られ
る2つの限界電流値を常時比較し、2つの信号値(限界
電流値)のいずれか一方だけが著しく低下した場合に
は、信号値の低下はガス拡散孔の詰まりによるものと判
断して、高い信号値のみを採用する。2つの微小なガス
拡散孔が同時に詰まる確率は著しく低いから、微小なガ
ス拡散孔の詰まりに起因する誤った信号値を採用するこ
とは実質的に回避される。
The gas detecting device 1 has one gas detecting element on each side of the sensor substrate 7. The characteristics of the solid electrolyte substrate in each of the gas detecting elements 10 and 10 ′, If the size, the configuration of the electrodes, and the like are the same, the limit current values obtained from the two gas detection element units 10, 10 'have substantially the same value. The two limit current values thus obtained are constantly compared, and if only one of the two signal values (limit current value) significantly decreases, it is determined that the decrease in the signal value is due to clogging of the gas diffusion holes. And adopt only high signal values. Since the probability of two small gas diffusion holes clogging at the same time is extremely low, adoption of an erroneous signal value due to the small gas diffusion hole clogging is substantially avoided.

【0027】検知対象ガス濃度に関する複数の信号を同
時に得るには、同質の独立したセンサを複数個使用すれ
ばよいが、消費電力及びコストの点で著しく不利であ
る。すなわち、固体電解質基板のイオン伝導性を良好に
するためには、通常この種のガス検知素子では素子(作
動)温度を300 〜450 ℃にするのが普通であるが、ヒー
タが消費する電力はセンサの全消費電力の大部分を占め
ることになる。2つの独立したセンサを用いれば、ヒー
タの消費電力は実質的に2倍となる。さらにセンサの収
納キャップ等の周辺部品の数もそれぞれ2倍となる。
To obtain a plurality of signals relating to the concentration of the gas to be detected at the same time, a plurality of independent sensors of the same quality may be used, but this is extremely disadvantageous in power consumption and cost. That is, in order to improve the ionic conductivity of the solid electrolyte substrate, the gas (detection) temperature of this type of gas detection element is usually set to 300 to 450 ° C., but the electric power consumed by the heater is low. This will account for the majority of the total power consumption of the sensor. If two independent sensors are used, the power consumption of the heater is substantially doubled. Further, the number of peripheral parts such as the storage cap of the sensor is also doubled.

【0028】しかしながら、上記で説明した本考案によ
るガス検知装置1においては、ヒータは1つで済み、従
来のセンサ素子における消費電力とほぼ同等となる。さ
らに2つの素子を一体化したガス検知装置であるので、
複数信号を取り込むための回路部を除けば、周辺部品も
増えない。
However, in the gas detection device 1 according to the present invention described above, only one heater is required, which is almost equal to the power consumption of the conventional sensor element. In addition, since it is a gas detection device integrating two elements,
Except for a circuit section for receiving a plurality of signals, peripheral components do not increase.

【0029】以上、本考案を添付図面を参照して説明し
たが、本考案はこれに限定されず、種々の変更を施すこ
とができる。
Although the present invention has been described with reference to the accompanying drawings, the present invention is not limited to this, and various modifications can be made.

【0030】以下の具体的実施例により、本考案をさら
に詳細に説明する。実施例1 図1に示す構造のガス検知装置を以下の要領で作成し
た。固体電解質基板2の原料として、安定化剤としてイ
ットリアを8モル%含有するジルコニア粉を用いた。こ
の原料粉を用いてプレス成形により直方体のブロックを
作成し、ブロックを約1450℃で焼結した。得られたブロ
ックに所定の大きさの微小なガス拡散孔を形成し、微小
なガス拡散孔の軸線に垂直にブロックをスライス、研磨
して、7mm×7mm×0.3 mmの板状の固体電解質基板を得
た。
The present invention will be described in more detail with reference to the following specific examples. Example 1 A gas detector having the structure shown in FIG. 1 was prepared in the following manner. As a raw material of the solid electrolyte substrate 2, zirconia powder containing 8 mol% of yttria as a stabilizer was used. A rectangular parallelepiped block was formed by press molding using this raw material powder, and the block was sintered at about 1450 ° C. A minute gas diffusion hole of a predetermined size is formed in the obtained block, and the block is sliced and polished perpendicular to the axis of the minute gas diffusion hole to obtain a plate-like solid electrolyte substrate of 7 mm × 7 mm × 0.3 mm. I got

【0031】この基板の両面に、白金粉末に有機バイン
ダーと有機溶剤とを添加してなる導電ペーストをスクリ
ーン印刷法により4mm×4mmの大きさに塗布し、焼成し
て電極を作成した。またこの電極に白金のリード線を取
りつけた。
A conductive paste obtained by adding an organic binder and an organic solvent to platinum powder was applied to both sides of the substrate to a size of 4 mm × 4 mm by a screen printing method and fired to form electrodes. A platinum lead wire was attached to this electrode.

【0032】ヒータ8を埋設するセンサ基板7の製造で
は、まずアルミナ粉末からグリーンシートを作製し、こ
のグリーンシートの一方の面上に白金ペーストをスクリ
ーン印刷した後、白金ペーストの塗布面上にもう一つの
アルミナグリーンシートを重ね、これを焼成した。
In the manufacture of the sensor substrate 7 in which the heater 8 is embedded, first, a green sheet is prepared from alumina powder, a platinum paste is screen-printed on one surface of the green sheet, and then a green sheet is formed on the surface to which the platinum paste is applied. One alumina green sheet was stacked and fired.

【0033】またスペーサとして珪酸ガラス材を用い、
図1に示す構造となるようにセンサ基板7、スペーサ
9、及び電極を有する固体電解質基板2を組み合わせ
た。これらの各部材の接合にはガラスペーストを用い
た。
Also, using a silicate glass material as a spacer,
The sensor substrate 7, the spacer 9, and the solid electrolyte substrate 2 having electrodes were combined so as to have the structure shown in FIG. Glass paste was used for joining these members.

【0034】このようにして作成したガス検知装置を用
いて、以下の要領で酸素ガスの検知を行った。
Using the gas detection device thus prepared, oxygen gas was detected in the following manner.

【0035】まずヒータ8には7ボルトの直流電圧を印
加し、素子温度を420 ℃に保った。この時のヒータに流
れる電流値は約150 mAであった。この状態でそれぞれ
のガス検知素子部の電極3a、3b間に所定の直流電圧
を印加し、印加した電圧に対して電極間に流れた電流値
を測定した。この場合、電極間を流れる電流は、負極か
ら固体電解質基板に溶け込んだ酸素がイオン化して、正
極まで移動し、そこでガス化することによって生じる電
流である。測定結果を図に示すが、センサ基板7の両
面に形成した二つのガス検知素子部の出力(電流値)は
ほぼ同じ値となり、ともに図の線(a) で表された。こ
の線(a) において、印加電圧を変化させても電流値が殆
ど変化しないいわゆるプラトー域における電流値I
1 は、このセンサが置かれた雰囲気の酸素分圧を示す指
標となる。なお、固体電解質基板の微小なガス拡散孔が
ゴミ等により目詰まりした場合には、そのガス検知素子
部の出力(電流値)はたとえば図の(b) に示すように
なる。
First, a DC voltage of 7 volts was applied to the heater 8, and the element temperature was maintained at 420.degree. The current flowing through the heater at this time was about 150 mA. In this state, a predetermined DC voltage was applied between the electrodes 3a and 3b of each gas detection element portion, and a current value flowing between the electrodes was measured with respect to the applied voltage. In this case, the current flowing between the electrodes is a current generated when oxygen dissolved from the negative electrode into the solid electrolyte substrate is ionized, moves to the positive electrode, and is gasified there. The measurement results are shown in Figure 2, the output of the two gas sensing element portion formed on the both surfaces of the sensor substrate 7 (current value) becomes substantially the same value, they were both expressed in the line of FIG. 2 (a). In the line (a), the current value I in the so-called plateau region where the current value hardly changes even when the applied voltage is changed.
1 is an index indicating the oxygen partial pressure of the atmosphere in which this sensor is placed. In the case where fine gas diffusion holes of the solid electrolyte substrate is clogged by dust or the like, the output of the gas sensing element (current value), for example as shown in (b) of FIG.

【0036】[0036]

【考案の効果】以上説明した通り、本考案によるガス検
知装置は2つ以上のガス検知素子部を有するので、たと
え一方のガス検知素子部における微小なガス拡散孔が目
詰まりした場合でも正確な検出出力を得ることができ
る。またガス検知装置におけるヒータは、従来のこの種
の素子に設置されるものとほとんど同じものでよいの
で、ヒータにおける消費電力が増大することはない。さ
らにヒータは電気絶縁性セラミックス製のセンサ基板に
埋設されているので、長期間使用しても劣化することが
なく、常に安定した加熱温度を保持することができる。
As described above, since the gas detecting device according to the present invention has two or more gas detecting elements, even if a minute gas diffusion hole in one of the gas detecting elements is clogged, accurate gas detection is possible. A detection output can be obtained. Further, since the heater in the gas detection device may be almost the same as that provided in a conventional element of this type, power consumption in the heater does not increase. Further, since the heater is embedded in the sensor substrate made of an electrically insulating ceramic, it does not deteriorate even when used for a long period of time, and can maintain a stable heating temperature at all times.

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

【図1】本考案の一実施例によるガス検知装置を示す概
略断面図である。
FIG. 1 is a schematic sectional view showing a gas detection device according to an embodiment of the present invention.

【図2】実施例1における印加電圧と電極間に流れた電
流の関係を示すグラフであり、固体電解質基板の微小な
ガス拡散孔が詰まった場合の電流値を示すグラフを併せ
て示している。
FIG. 2 is a graph showing a relationship between an applied voltage and a current flowing between electrodes in Example 1, and also shows a graph showing a current value when a minute gas diffusion hole of a solid electrolyte substrate is clogged. .

【図3】従来の限界電流式ガス検知装置の一例を示す概
略断面図である。
FIG. 3 is a schematic sectional view showing an example of a conventional limiting current type gas detection device.

【図4】従来の限界電流式ガス検知装置のもう一つの例
を示す概略断面図である。
FIG. 4 is a schematic sectional view showing another example of a conventional limiting current type gas detection device.

【図5】従来の限界電流式ガス検知装置の別な例を示す
概略断面図である。
FIG. 5 is a schematic cross-sectional view showing another example of a conventional limiting current type gas detection device.

【図6】従来の限界電流式ガス検知装置のさらに別な例
を示す概略断面図である。
FIG. 6 is a schematic sectional view showing still another example of the conventional limiting current type gas detector.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 ガス検知装置 2 固体電解質基板 3a、3b 電極 5 微小なガス拡散孔 6 内部室 7 センサ基板 8 ヒータ 9 スペーサ 10、10′ ガス検知素子部 11、12 リード線 17 多孔質セラミック材 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Gas detection device 2 Solid electrolyte substrate 3a, 3b electrode 5 Micro gas diffusion hole 6 Inner chamber 7 Sensor substrate 8 Heater 9 Spacer 10, 10 'Gas detection element 11, 12, Lead wire 17 Porous ceramic material

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平3−264858(JP,A) 特開 昭61−155751(JP,A) 特開 昭60−260842(JP,A) 特開 昭64−78148(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.6,DB名) G01N 27/41 ──────────────────────────────────────────────────続 き Continuation of the front page (56) References JP-A-3-264858 (JP, A) JP-A-61-155751 (JP, A) JP-A-60-260842 (JP, A) JP-A 64-64 78148 (JP, A) (58) Field surveyed (Int. Cl. 6 , DB name) G01N 27/41

Claims (1)

(57)【実用新案登録請求の範囲】(57) [Scope of request for utility model registration] 【請求項1】 ヒータを埋設した電気絶縁性セラミック
ス製センサ基板の両面上に、 (a) ガス拡散孔を有する固体電解質基板と、 (b) 前記固体電解質基板の両面に形成された正負の多孔
質電極と、 (c) 前記センサ基板と前記固体電解質基板との間に配置
されて、前記センサ基板と前記固体電解質基板と組み合
わさって内部室を形成するスペーサとを有するガス検知
素子部が、1つずつ形成されてなることを特徴とするガ
ス検知装置。
1. A solid electrolyte substrate having gas diffusion holes on both surfaces of a sensor substrate made of an electrically insulating ceramic having a heater embedded therein, and (b) positive and negative pores formed on both surfaces of the solid electrolyte substrate. A cathode electrode, and a gas detection element portion (c) disposed between the sensor substrate and the solid electrolyte substrate and having a spacer that forms an internal chamber in combination with the sensor substrate and the solid electrolyte substrate, A gas detection device formed one by one.
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