JP3180815B2 - ガス成分及び／又は混合ガスのガス濃度を測定するためのセンサー装置 - Google Patents
ガス成分及び／又は混合ガスのガス濃度を測定するためのセンサー装置Info
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- JP3180815B2 JP3180815B2 JP51466394A JP51466394A JP3180815B2 JP 3180815 B2 JP3180815 B2 JP 3180815B2 JP 51466394 A JP51466394 A JP 51466394A JP 51466394 A JP51466394 A JP 51466394A JP 3180815 B2 JP3180815 B2 JP 3180815B2
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Description
【発明の詳細な説明】 技術分野 本発明は、請求の範囲に記載された種類の、ガス成分
及び／又は混合ガスのガス濃度を測定するためのセンサ
ー装置から出発する。
及び／又は混合ガスのガス濃度を測定するためのセンサ
ー装置から出発する。
高温時には一酸化炭素の含分に依存して、しかしまた
酸素含分にも依存してその導電性を変える半導体金属酸
化物を基礎にして、混合ガス中の一酸化炭素の含分を測
定するためのセンサーは公知である（ドイツ国特許第26
03785号明細書）。金属酸化物としては、例えば、高温
時には表面に酸素を吸着してマイナスのイオンにする酸
化錫が使用されている。その結果、酸化錫の結晶粒界
（Korngrenze）に、イオンの形で吸着された酸素の濃度
の増大と共に増大する電位壁（Potentialschwlle）が形
成される。酸素でおおわれた酸化錫の表面が酸化性ガ
ス、例えばCOに接触すると、同ガスは吸着された酸素に
よって酸化される。すると境界面の負電荷、ひいては電
位壁は低減される。したがって金属酸化物の表面導電性
は再び増大する。導電性の変化を酸化性ガス成分、例え
ばCO、NOx及びHCの濃度測定のために利用しようとする
場合には、酸素横感度（Sauerstoffquerempfindlichkei
t）が生じる。また酸素分圧の低い場合、特に高温と結
びつくと半導体金属酸化物の不可逆的還元が起こり、ひ
てはセンサーの故障も生じる。以下には、測定すべきガ
ス成分を有害物質成分と称する。
酸素含分にも依存してその導電性を変える半導体金属酸
化物を基礎にして、混合ガス中の一酸化炭素の含分を測
定するためのセンサーは公知である（ドイツ国特許第26
03785号明細書）。金属酸化物としては、例えば、高温
時には表面に酸素を吸着してマイナスのイオンにする酸
化錫が使用されている。その結果、酸化錫の結晶粒界
（Korngrenze）に、イオンの形で吸着された酸素の濃度
の増大と共に増大する電位壁（Potentialschwlle）が形
成される。酸素でおおわれた酸化錫の表面が酸化性ガ
ス、例えばCOに接触すると、同ガスは吸着された酸素に
よって酸化される。すると境界面の負電荷、ひいては電
位壁は低減される。したがって金属酸化物の表面導電性
は再び増大する。導電性の変化を酸化性ガス成分、例え
ばCO、NOx及びHCの濃度測定のために利用しようとする
場合には、酸素横感度（Sauerstoffquerempfindlichkei
t）が生じる。また酸素分圧の低い場合、特に高温と結
びつくと半導体金属酸化物の不可逆的還元が起こり、ひ
てはセンサーの故障も生じる。以下には、測定すべきガ
ス成分を有害物質成分と称する。
発明の開示 本発明は、半導体金属酸化物の結晶粒面（Kornflaech
e）が酸素でおおわれる場合には、大きい酸素濃度変化
でも測定要素の検出領域に対して無視できるほど小さい
効果を有する、という認識を基礎にしている。請求の範
囲の請求項１に記載された特徴を有する本発明によるセ
ンサー装置は、簡単な手段で酸素に対する測定要素の横
感度が十分に除去される、という利点を有する。該セン
サー装置はこの簡素化のために安価に製造することがで
きる。また、測定要素に酸素をポンプで送出する酸素ポ
ンプ室（Sauerstoffpumpzelle）も不要である。
e）が酸素でおおわれる場合には、大きい酸素濃度変化
でも測定要素の検出領域に対して無視できるほど小さい
効果を有する、という認識を基礎にしている。請求の範
囲の請求項１に記載された特徴を有する本発明によるセ
ンサー装置は、簡単な手段で酸素に対する測定要素の横
感度が十分に除去される、という利点を有する。該セン
サー装置はこの簡素化のために安価に製造することがで
きる。また、測定要素に酸素をポンプで送出する酸素ポ
ンプ室（Sauerstoffpumpzelle）も不要である。
請求項１で記載したセンサー装置のさらなる実施形及
び改良は、他の請求項で記載した手段によって有利に可
能である。特に、拡散バリヤーを導入することによっ
て、有害物質成分及び酸素の十分に反対方向の濃度勾配
を調整することが有利である。他の自動車の排気ガスの
ために、基準ガスとして使用される外気中に高いCO濃度
が存在する場合には、酸化触媒の使用によってCOは過剰
に存在する空気中酸素によって酸化される。これによっ
てCO濃度は基準ガス側では無視できる値に低減される
が、O2濃度は第一近似において一定のままである。
び改良は、他の請求項で記載した手段によって有利に可
能である。特に、拡散バリヤーを導入することによっ
て、有害物質成分及び酸素の十分に反対方向の濃度勾配
を調整することが有利である。他の自動車の排気ガスの
ために、基準ガスとして使用される外気中に高いCO濃度
が存在する場合には、酸化触媒の使用によってCOは過剰
に存在する空気中酸素によって酸化される。これによっ
てCO濃度は基準ガス側では無視できる値に低減される
が、O2濃度は第一近似において一定のままである。
図面の簡単な説明 本発明の一実施例を図示し、次に詳説する。第１図は
本発明のセンサー装置の断面図を示し、第２図は第１図
による拡散管路の長さにわたる酸素濃度及びCO濃度の変
化過程を示す。
本発明のセンサー装置の断面図を示し、第２図は第１図
による拡散管路の長さにわたる酸素濃度及びCO濃度の変
化過程を示す。
実施例 第１図によれば、該センサー装置は、下部セラミック
支持体部分21及び上部セラミック支持体部分22を有す
る、例えばAl2O3製のセラミック支持体20から成る。セ
ラミック支持体部分21,22の間には、排気ガス側開口部2
4及び基準ガス側開口部25を有する拡散管路23が存在し
ている。排気ガス側開口部24の方向には排気ガス側拡散
区間26が形成されており、基準ガス側開口部25の方向に
は基準ガス側拡散区間27が形成されている。排気ガス側
拡散区間26中には排気ガス側多孔質拡散体28が挿入され
ており、基準ガス側拡散区間27中は基準ガス側多孔質拡
散体29が挿入されている。２つの拡散体28、29の間には
測定室30が存在する。したがって拡散管路23は排気ガス
を基準ガスとして使用される外気に連絡させる。
支持体部分21及び上部セラミック支持体部分22を有す
る、例えばAl2O3製のセラミック支持体20から成る。セ
ラミック支持体部分21,22の間には、排気ガス側開口部2
4及び基準ガス側開口部25を有する拡散管路23が存在し
ている。排気ガス側開口部24の方向には排気ガス側拡散
区間26が形成されており、基準ガス側開口部25の方向に
は基準ガス側拡散区間27が形成されている。排気ガス側
拡散区間26中には排気ガス側多孔質拡散体28が挿入され
ており、基準ガス側拡散区間27中は基準ガス側多孔質拡
散体29が挿入されている。２つの拡散体28、29の間には
測定室30が存在する。したがって拡散管路23は排気ガス
を基準ガスとして使用される外気に連絡させる。
測定室30には、有害物質成分、すなわち、CO、NOx又
はHCに対して反応する測定要素10が配置されている。当
該実施例の場合には測定要素10としては半導体ガスセン
サーが使用されている。半導体ガスセンサーは、半導体
金属酸化物層12がその上に被覆されている２個の測定電
極13及び14を有する。金属酸化物層としては、COを測定
するため本実施例ではSnO2が使用されている。この場合
測定要素10は拡散管路23中にあって、下部セラミック支
持体部分21の表面上に配置されている。多孔質成形体28
及び29は同時に金属酸化物層12の保護層としても役立ち
かつ拡散管路23中の対流を防止する。
はHCに対して反応する測定要素10が配置されている。当
該実施例の場合には測定要素10としては半導体ガスセン
サーが使用されている。半導体ガスセンサーは、半導体
金属酸化物層12がその上に被覆されている２個の測定電
極13及び14を有する。金属酸化物層としては、COを測定
するため本実施例ではSnO2が使用されている。この場合
測定要素10は拡散管路23中にあって、下部セラミック支
持体部分21の表面上に配置されている。多孔質成形体28
及び29は同時に金属酸化物層12の保護層としても役立ち
かつ拡散管路23中の対流を防止する。
基準ガス側開口部25は例えば酸化触媒31で閉鎖されて
いる。酸化触媒31は、外気中のCO濃度が増大するとCO
は、過剰に存在する空気中酸素で酸化されるために使用
される。これによってCO濃度は拡散管路23の基準ガス側
では無視できる値に低減される。しかし酸素濃度は第一
近似において一定である。
いる。酸化触媒31は、外気中のCO濃度が増大するとCO
は、過剰に存在する空気中酸素で酸化されるために使用
される。これによってCO濃度は拡散管路23の基準ガス側
では無視できる値に低減される。しかし酸素濃度は第一
近似において一定である。
排気ガス（XCO＝100〜8000ppm、XO2＜１％）及び外気
（XCO無視できる、XO2＝20〜21％）中の例えばCOとO2と
の濃度割合により、酸素は基準ガス側開口部25から排気
ガス側開口部24へと拡散し、COは排気ガス側開口部24か
ら基準ガス側開口部25へと拡散し、これによって拡散管
路23にはCO及び酸素の反対方向の濃度勾配が生じる（第
２図）。これによって、測定室30の測定要素10の位置に
は十分に高い酸素濃度が存在し、CO濃度は排気ガス中の
CO濃度に比例する。
（XCO無視できる、XO2＝20〜21％）中の例えばCOとO2と
の濃度割合により、酸素は基準ガス側開口部25から排気
ガス側開口部24へと拡散し、COは排気ガス側開口部24か
ら基準ガス側開口部25へと拡散し、これによって拡散管
路23にはCO及び酸素の反対方向の濃度勾配が生じる（第
２図）。これによって、測定室30の測定要素10の位置に
は十分に高い酸素濃度が存在し、CO濃度は排気ガス中の
CO濃度に比例する。
拡散管路23の長さｌに対して測定要素10の位置ｓにお
ける還元性成分、例えばCOの分圧については次式が適用
される： pCO（ｓ）＝（ｌ−s/l）pCO したがって、測定要素10は近似的に一定の酸素分圧に
常に暴露されていることが保証される。測定室10の位置
におけるCOの分圧から逆計算して排気ガス中のCOの分圧
を得ることができる。
ける還元性成分、例えばCOの分圧については次式が適用
される： pCO（ｓ）＝（ｌ−s/l）pCO したがって、測定要素10は近似的に一定の酸素分圧に
常に暴露されていることが保証される。測定室10の位置
におけるCOの分圧から逆計算して排気ガス中のCOの分圧
を得ることができる。
本発明のセンサー装置は、特に、拡散管路23の寸法規
定の際極めて狭い許容差を考慮しなくてもよいという利
点を有する。拡散管路23の寸法規定は、測定室30におい
て酸素分圧が0.5〜20％であるような程度になってさえ
いればよい。
定の際極めて狭い許容差を考慮しなくてもよいという利
点を有する。拡散管路23の寸法規定は、測定室30におい
て酸素分圧が0.5〜20％であるような程度になってさえ
いればよい。
本実施例の場合には、下部セラミック支持体部分21に
ヒーター33が組込まれている。しかし同様に、例えば酸
化ジルコニウムから成るセラミック支持体20を製造する
ことを考えることもできる。しかしこの場合には、測定
要素10のために、セラミック支持体20と測定電極13,14
及び金属酸化物層12との間に絶縁層を設ける必要があ
る。さらにこの場合には、ヒーター33を絶縁材料中に埋
込まなければならない。
ヒーター33が組込まれている。しかし同様に、例えば酸
化ジルコニウムから成るセラミック支持体20を製造する
ことを考えることもできる。しかしこの場合には、測定
要素10のために、セラミック支持体20と測定電極13,14
及び金属酸化物層12との間に絶縁層を設ける必要があ
る。さらにこの場合には、ヒーター33を絶縁材料中に埋
込まなければならない。
該センサー装置は有利に平面技術で、適当なフィルム
を印刷（bedrucken）し、積層しかつ焼結することによ
って製造され、この際拡散管路23は、例えば被覆材料を
印刷し、焼結時に残留物のないように分解するか、蒸発
するか又は焼結することによって形成される。また拡散
管路は、フィルムをフライスで削る（Fraesen）か又は
打抜くことによって製造することもできる。拡散体28,2
9は例えば、例えばAl2O3又はZrO2を基材とする多孔時に
焼結するセラミック材料から成る充填物を挿入すること
によって製造される。また拡散管路23中には測定要素10
も押込む。平面技術で半導体ガスセンサーを製造するた
めの例はドイツ国特許出願公開第2908916号明細書に記
載されている。
を印刷（bedrucken）し、積層しかつ焼結することによ
って製造され、この際拡散管路23は、例えば被覆材料を
印刷し、焼結時に残留物のないように分解するか、蒸発
するか又は焼結することによって形成される。また拡散
管路は、フィルムをフライスで削る（Fraesen）か又は
打抜くことによって製造することもできる。拡散体28,2
9は例えば、例えばAl2O3又はZrO2を基材とする多孔時に
焼結するセラミック材料から成る充填物を挿入すること
によって製造される。また拡散管路23中には測定要素10
も押込む。平面技術で半導体ガスセンサーを製造するた
めの例はドイツ国特許出願公開第2908916号明細書に記
載されている。
操作方法にとっては、拡散管路の原理的設計は重要で
はない。２つの拡散区間26,27を例え金属ブロック中の
孔によって形成しかつ慣用的に構成されたガスセンサー
を前記ブロック中の一室に収容することも考えることが
できる。
はない。２つの拡散区間26,27を例え金属ブロック中の
孔によって形成しかつ慣用的に構成されたガスセンサー
を前記ブロック中の一室に収容することも考えることが
できる。
適当な操作温度を設定するためのヒーターの使用は、
使用された測定要素に依存している。さらに、ヒーター
が測定要素の位置においてのみセンサー装置に組込まれ
ていても十分である。
使用された測定要素に依存している。さらに、ヒーター
が測定要素の位置においてのみセンサー装置に組込まれ
ていても十分である。
フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) G01N 27/12
Claims (10)
- 【請求項１】検出領域を有する測定要素を備えた、内燃
機関の排気ガス中のガス成分及び／又は混合ガスの濃
度、特にCO、NOx、HCを測定するためのセンサー装置に
おいて、測定要素（10）の検出領域は拡散管路（23）中
に配置されていて、同管路は排気ガス側開口部（24）で
混合ガスに暴露されており、基準ガス側開口部（25）で
基準ガスに暴露されており、かつ基準ガス中の酸素分圧
が混合ガス中のそれよりも大きく、その結果測定要素
（10）の検出領域において酸素が過剰に存在することを
特徴とする、前記センサー装置。 - 【請求項２】測定要素が半導体金属酸化物層（12）及び
境界面に配置された測定電極（13,14）を有する自体公
知の半導体ガスセンサーである、請求項１記載のセンサ
ー装置。 - 【請求項３】金属酸化物層（12）がSnO2から成る、請求
項２記載のセンサー装置。 - 【請求項４】拡散管路（23）が排気ガス側拡散区間（2
6）及び基準ガス側拡散区間（27）を有し、排気ガス側
拡散区間（26）中に排気ガス側多孔質拡散体（28）が挿
入されておりかつ基準ガス側拡散区間（27）中に基準ガ
ス側多孔質拡散体（29）が挿入されており、かつ２個の
拡散体（28、29）の間に測定室（30）が形成されてい
て、同室中に測定要素（10）が配置されている、請求項
１記載のセンサー装置。 - 【請求項５】基準ガス側拡散区間（26）中に、基準ガス
中に存在する有害物質成分を酸化するために適している
酸化触媒（31）が存在する、請求項４記載のセンサー装
置。 - 【請求項６】酸化触媒（31）が基準ガス側開口部（25）
内に配置されている、請求項５記載のセンサー装置。 - 【請求項７】拡散管路（23）がその中に設けられている
セラミック支持体（20）を有しており、かつ測定要素
（10）が拡散管路（23）の一平面に自体公知の方法で圧
着されている、請求項１記載のセンサー装置。 - 【請求項８】セラミック支持体（20）がAl2O3から成っ
ている、請求項７記載のセンサー装置。 - 【請求項９】セラミック体（20）がZrO2から成り、かつ
絶縁層を有する測定要素（10）が拡散管路（23）の面に
圧着されている、請求項７記載のセンサー装置。 - 【請求項１０】セラミック体（20）内にヒーター（33）
が電気的に絶縁されて組込まれている、請求項１から請
求項９までのいずれか１項記載のセンサー装置。
Applications Claiming Priority (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| DE4243732.6 | 1992-12-23 | ||
| DE4243732A DE4243732A1 (de) | 1992-12-23 | 1992-12-23 | Sensoranordnung zur Bestimmung von Gaskomponenten und/oder Gaskonzentrationen von Gasgemischen |
| PCT/DE1993/001152 WO1994015203A1 (de) | 1992-12-23 | 1993-12-03 | Sensoranordnung zur bestimmung von gaskomponenten und/oder gaskonzentrationen von gasgemischen |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH07504039A JPH07504039A (ja) | 1995-04-27 |
| JP3180815B2 true JP3180815B2 (ja) | 2001-06-25 |
Family
ID=6476300
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP51466394A Expired - Fee Related JP3180815B2 (ja) | 1992-12-23 | 1993-12-03 | ガス成分及び／又は混合ガスのガス濃度を測定するためのセンサー装置 |
Country Status (7)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US5493896A (ja) |
| EP (1) | EP0627077B1 (ja) |
| JP (1) | JP3180815B2 (ja) |
| KR (1) | KR100230510B1 (ja) |
| DE (2) | DE4243732A1 (ja) |
| ES (1) | ES2106494T3 (ja) |
| WO (1) | WO1994015203A1 (ja) |
Families Citing this family (16)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE4341632C2 (de) * | 1993-12-07 | 1998-07-16 | Heraeus Electro Nite Int | Verfahren und Einrichtung zur Prüfung und Regelung von Kraftfahrzeugen |
| JPH07253411A (ja) * | 1994-03-14 | 1995-10-03 | Ngk Insulators Ltd | 一酸化炭素センサ及び一酸化炭素濃度の検出方法 |
| JPH08128989A (ja) * | 1994-10-31 | 1996-05-21 | Nippondenso Co Ltd | 酸素濃度検出装置 |
| US5948964A (en) * | 1995-10-20 | 1999-09-07 | Ngk Insulators, Ltd. | NOx sensor and method of measuring NOx |
| JP3293741B2 (ja) * | 1996-06-06 | 2002-06-17 | 株式会社リケン | ＮＯｘセンサ |
| JP3672681B2 (ja) * | 1996-09-30 | 2005-07-20 | 株式会社日本自動車部品総合研究所 | ガスセンサ |
| JP3863974B2 (ja) * | 1996-10-31 | 2006-12-27 | 株式会社日本自動車部品総合研究所 | ガス検出装置 |
| US6068747A (en) * | 1997-03-10 | 2000-05-30 | Denso Corporation | Solid electrolyte gas sensor |
| DE19955125A1 (de) * | 1998-11-16 | 2000-06-21 | Denso Corp | Gassensor und Verfahren zur Messung der Konzentration eines bestimmten Gases |
| GB9926174D0 (en) * | 1999-11-04 | 2000-01-12 | Capteur Sensors & Analysers | Gas sensors |
| KR100489297B1 (ko) * | 2002-08-30 | 2005-05-17 | 재단법인 포항산업과학연구원 | 씨브이디 디엘씨 박막을 이용한 오리피스형 가스 센서 및그 제조방법 |
| US20080017510A1 (en) * | 2004-05-26 | 2008-01-24 | Nair Balakrishnan G | NOx Gas Sensor Method and Device |
| US7611612B2 (en) * | 2005-07-14 | 2009-11-03 | Ceramatec, Inc. | Multilayer ceramic NOx gas sensor device |
| DE102007049715A1 (de) * | 2006-12-29 | 2008-07-03 | Robert Bosch Gmbh | Sensorelement mit abgeschirmter Referenzelektrode |
| JP2010519514A (ja) * | 2007-02-16 | 2010-06-03 | セラマテック・インク | 選択性および検出感度の改善されたＮＯｘセンサー |
| US9164080B2 (en) | 2012-06-11 | 2015-10-20 | Ohio State Innovation Foundation | System and method for sensing NO |
Family Cites Families (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
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