JP3793065B2 - Hydrocarbon sensor and manufacturing method thereof - Google Patents

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、炭化水素センサおよびその製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
炭化水素センサには、住環境中の炭化水素ガスの検知や、自動車用エンジン、暖房用ストーブ、触媒燃焼機器の排ガス中の炭化水素の検知が可能であり、燃焼機関・機器の燃焼制御(リーンバーン)用として利用できるものが知られている。
【0003】
炭化水素を測定あるいは検知するセンサとして、固体電解質であるプロトン伝導体からなる薄い基板と、その基板の両面に互いに対向するように配置された白金からなる2つの電極層とを備える炭化水素センサが知られている。この炭化水素センサでは、測定すべき雰囲気中の炭化水素がアノードで解離してプロトンが生じる。このプロトンは、電解質からなる基板を移動する。センサは、このプロトンを、電圧、または電極間に流れる電流として検出する。
【0004】
この炭化水素センサを燃焼機関や燃焼機器に使用するためには、室温以上で使用できる酸化物からなるプロトン伝導体が必要である。近年、酸化物からなるプロトン伝導体としては、カルシウムジルコニウム系の酸化物であるCaZr0.9In0.13- α(ただし、αは酸素の欠損を表す。以下同様である。)が開発され炭化水素センサへの応用が試されている。
【0005】
しかしながら、上記のカルシウムジルコニウム系酸化物は、プロトンの伝導度が小さい(たとえば、600℃において約5×10-4S/cm)という問題があった。そこで、発明者らは、高いプロトン伝導性を示すバリウムセリウム系酸化物を用いた限界電流式(定電位電解式)の炭化水素センサを提案してきた(特開平10−300718号公報参照)。このセンサは、炭化水素に良好に応答し、酸素がない状態では、数ppmから数%オーダーの炭化水素をほぼリニアに検出できた。
【0006】
しかしながら、バリウムセリウム系酸化物を用いたセンサでも、炭化水素濃度が微量(たとえば、10ppm以下)の場合には、センサの出力が酸素濃度の影響を受けた。これは、バリウムセリウム系酸化物が酸化物イオンも伝導する性質を有するためであり、カソードで取り込まれた酸素によってセンサの出力が変動する。このため、発明者らは、金属アルミニウムを主体とするカソードを用い、カソードで酸素の侵入を阻止するセンサを開発した(特開平11−337518号公報参照)。金属アルミニウムを含むカソードの効果は絶大であり、測定するガスに一定濃度の酸素が混合したときでも、出力は全く増加しなかった。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記センサでも、酸素濃度が高い場合には炭化水素の検出能力が低下するという問題があった。自動車エンジンの排ガスを触媒によって浄化する場合、触媒の性能が劣化すると、高濃度の炭化水素(HC)成分と高濃度の酸素とが排ガス中に含まれることになる。したがって、従来のセンサは、排ガス浄化用の触媒の劣化を検知するためのセンサとして十分な特性を備えていなかった。加えて、排ガス中の炭化水素を測定する場合には温度変化が激しいため、熱サイクルに強いセンサが求められている。Alを含む電極を用いた従来のセンサの場合、Alが熱サイクル中に不導体を形成し特性を劣化させている。
【0008】
上記問題を解決するため、本発明は、酸素の影響を受けにくく、熱による特性劣化が生じにくい炭化水素センサを提供することを第1の目的とする。
【0009】
また、本発明は、酸素の影響を受けにくい炭化水素センサの製造方法を提供することを第2の目的とする。
【0010】
また、従来の炭化水素センサでは、電極と出力取り出し用のリード線との導電性接着剤として、PtやAuが単独で用いられていた。しかしながら、このような従来の炭化水素センサでは、電極の剥離やリード線の断線が生じやすいという問題があった。上記問題を解決するため、本発明は、信頼性が高い炭化水素センサを提供することを第3の目的とする。
【0011】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明の第1の炭化水素センサは、プロトンを伝導する固体電解質からなる基板と、前記基板の表面に形成された一対の電極とを備える炭化水素センサにおいて、前記一対の電極のうちの少なくとも1つの電極がAuとAlとを含み、前記少なくとも1つの電極中の単体Al(単体金属であるアルミニウム)の含有率をaモル%とし、前記少なくとも1つの電極中の酸化アルミニウム(Al23)の含有率をbモル%としたときに、aとbとが、a+2b≦7の関係を満たすことを特徴とする。上記第1の炭化水素センサによれば、酸素の影響を受けにくく、熱による特性劣化が生じにくい炭化水素センサが得られる。
【0012】
上記第1の炭化水素センサでは、前記少なくとも1つの電極が、AuAl2合金および単体Au(単体金属である金)から選ばれる少なくとも1つの金属を、50モル%以上の割合で含んでもよい。すなわち、前記少なくとも1つの電極が、AuAl2合金および単体Auを共に含む場合には、両者の合計が50モル%以上の割合となるように含んでもよい。これらの組成の金属は融点が高く、耐熱性に富む電極が得られる。
【0013】
上記第1の炭化水素センサでは、前記少なくとも1つの電極が、AuAl2と単体Auとを、AuAl2:Au=X:1−X(ただし、0.6≦X≦1)のモル比となるように含んでもよい。この構成によれば、酸素ブロッキング性能が特に高い電極を備える炭化水素センサが得られる。
【0014】
また、本発明の第2の炭化水素センサは、プロトンを伝導する固体電解質からなる基板と、前記基板の表面に形成された一対の電極と、前記電極に接続されたリード線とを備える炭化水素センサにおいて、前記一対の電極のうちの少なくとも1つの電極がAuとAlとを含み、前記少なくとも1つの電極と前記リード線とが、PtおよびAuを含む導電性接着剤、またはAlおよびAuを含む導電性接着剤によって接続されていることを特徴とする。上記第2の炭化水素センサによれば、電極の剥離やリード線の断線が生じにくく、信頼性が高い炭化水素センサが得られる。
【0015】
上記第2の炭化水素センサでは、前記少なくとも1つの電極と前記リード線とが、AlおよびAuを含む導電性接着剤によって接続されており、前記少なくとも1つの電極の成分と前記導電性接着剤に含まれる金属の成分とが等しくてもよい。この構成によれば、電極と導電性接着剤とが一体化し、より強固な接着強度が得られる。
【0016】
また、本発明の炭化水素センサの第1の製造方法は、プロトンを伝導する固体電解質からなる基板と、前記基板の表面に形成された電極とを備える炭化水素センサを製造する方法において、前記基板上にAu粒子とAl粒子とを含むペーストを塗布して焼成することによって、AuとAlとの合金を含む前記電極を形成する工程を含むことを特徴とする。上記第1の製造方法によれば、酸素の影響を受けにくい炭化水素センサを容易に製造できる。
【0017】
上記第1の製造方法では、焼成直後における前記電極中の単体Alの含有率が、7モル%以下であってもよい。この構成によれば、熱による特性の劣化が生じにくい炭化水素センサを製造できる。
【0018】
上記第1の製造方法では、前記焼成が無酸素雰囲気下で行われてもよい。この構成によれば、酸素ブロッキング特性が特に高い炭化水素センサを製造できる。
【0019】
上記第1の製造方法では、前記無酸素雰囲気が、窒素ガス、アルゴンガス、ヘリウムガスおよび水素ガスから選ばれる少なくとも1つのガスからなる雰囲気であってもよい。
【0020】
また、本発明の炭化水素センサの第2の製造方法は、プロトンを伝導する固体電解質からなる基板と、前記基板の表面に形成された電極と、前記電極に接続されたリード線とを備える炭化水素センサの製造方法において、前記電極と前記リード線とを導電性接着剤で接続して無酸素雰囲気下で焼成する工程を含み、前記電極がAuとAlとを含むことを特徴とする。上記第2の製造方法によれば、酸素による影響を受けにくく、熱による特性劣化が生じにくく、さらにリード線と電極との接着強度が高い炭化水素センサを容易に製造できる。
【0021】
上記第2の製造方法では、前記導電性接着剤が、PtおよびAuを含む導電性接着剤、またはAlおよびAuを含む導電性接着剤であってもよい。この構成によれば、リード線と電極との接着強度がさらに高い炭化水素センサを製造できる。
【0022】
上記第2の製造方法では、前記リード線接続工程における前記無酸素雰囲気が、窒素ガス、アルゴンガス、ヘリウムガスおよび水素ガスから選ばれる少なくとも1つのガスからなる雰囲気であってもよい。
【0023】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。
【0024】
(実施形態1)
実施形態1では、本発明の炭化水素センサについて一例を説明する。実施形態1の炭化水素センサ10について、平面図を図1(a)に、図1(a)の線X−Xにおける断面図を図1(b)に示す。
【0025】
図1(a)および(b)を参照して、炭化水素センサ10は、プロトンを伝導する固体電解質からなる基板11と、基板11の表面に形成された一対の電極12とを備える。なお、炭化水素センサ10は、必要に応じて電極12に接続されたリード線を備える。このときの導電性接着剤およびリード線には、以下の実施形態2で説明するものを用いることが好ましい。
【0026】
基板11は、少なくともプロトンを伝導する固体電解質からなる。たとえば、BaCe0.8Gd0.23- αやBaCe0.80.23- αといったバリウムセリウム系酸化物、BaZr0.80.23- αといったバリウムジルコニウム系酸化物、または、BaZr0.6Ce0.2Gd0.23- αやBaZr0.4Ce0.4In0.23- αといったバリウムジルコニウムセリウム系酸化物からなる基板を用いることができる。ここで、αは酸素の欠損を表す。αは、固体電解質中の正の電荷と負の電荷とがほぼ等しくなるような値である。たとえば、BaCe0.8Gd0.23- αの場合には、Baが二価の正イオン、Ceが4価の正イオン、Gdが三価の正イオン、酸素が二価の負イオンであるため、α=3−(2+0.8*4+0.2*3)/2≒0.1である。
【0027】
一対の電極12は、カソード12aとアノード12bとを含む。カソード12aおよびアノード12bから選ばれる少なくとも1つの電極(以下、電極Aという場合がある)は、AuとAlとを含む。特に、カソード12aが、AuとAlとを含むこと、すなわち電極Aであることが好ましい。
【0028】
電極Aは、電極A中の単体Al(単体金属であるAl)の含有率をaモル%とし、電極A中の酸化アルミニウムをbモル%としたときに、a+2b≦7の関係を満たし、好ましくはa+2b≦5の関係を満たす。a+2bの値は、小さいほど好ましい。a+2b≦7の関係を満たす電極Aは、たとえば、TR1206(田中貴金属株式会社製のAuペースト)と9203C(ノリタケカンパニー製のAlペースト)を重量比で、57:43や、54:46の比率で混合して焼成することによって形成できる。
【0029】
また、電極Aは、AuAl2合金および単体Auから選ばれる少なくとも1つの金属を、50モル%以上の割合で含むことが好ましく、75モル%以上の割合で含むことがより好ましい。AuAl2合金および単体Auの含有率は高いほど好ましい。この場合、電極Aは、AuAl2と単体Auとを、AuAl2:Au=X:1−X(ただし、0.6≦X≦1)のモル比となるように含むことが好ましい。
【0030】
カソード12aまたはアノード12bのいずれかが、AuとAlとを含む電極Aではない場合、その電極としては、たとえば、Ptからなる電極やAuからなる電極を用いることができる。
【0031】
電極12は、たとえば、金属ペーストを塗布して焼成する方法、固相法、スパッタリングやCVDなどの気相成膜法、またはメッキなどの液相成膜法を用いて形成することができる。
【0032】
実施形態1の炭化水素センサ10は、AuとAlとを含む電極Aを備えるため、電極で酸素をブロッキングする性能が高い。そのため、炭化水素センサ10は酸素の影響を受けにくい。また、炭化水素センサ10は、電極A中の単体Alの量が少ないため、熱による特性の劣化が生じにくい。
【0033】
(実施形態2)
実施形態2では、本発明の炭化水素センサについて他の一例を説明する。実施形態2の炭化水素センサ20について、平面図を図2(a)に、図2(a)の線Y−Yにおける断面図を図2(b)に示す。
【0034】
図2(a)および(b)を参照して、実施形態2の炭化水素センサ20は、プロトンを伝導する固体電解質からなる基板21と、基板21上に形成された一対の電極22(カソード22aおよびアノード22bを含む)と、カソード22aおよびアノード22bにそれぞれ接続されたリード線23aおよび23bとを備える。
【0035】
基板21には、実施形態1の基板11と同様の基板を用いることができる。
【0036】
カソード22aおよびアノード22bから選ばれる少なくとも1つの電極(以下、電極Bという場合がある)は、AuとAlとを含む。具体的には、実施形態1で説明した電極Aと同様の電極を用いることができる。なお、カソード22aまたはアノード22bのいずれかがAuとAlとを含まない場合には、その電極としては、たとえば、Ptからなる電極やAuからなる電極を用いることができる。
【0037】
リード線23aおよびリード線23bには、たとえば、Pt、Au、またはAgなどの金属からなるリード線を用いることができる。
【0038】
カソード22aとアノード22bとは、それぞれ、導電性接着剤24aと24bとによってリード線23aとリード線23bとに接続されている。
【0039】
導電性接着剤24aおよび24bには、金属ペーストを用いることができる。ここで、金属ペーストは、金属からなる粒子に、必要に応じてバインダや、樹脂や、溶媒などを加えたものである(以下の金属ペーストにおいて同様である)。樹脂には、たとえば、ポリビニルアルコール(poly(vinyl alcohol):PVA)やポリ塩化ビニル(poly(vinyl chloride):PVC)を用いることができる。溶媒には、たとえば、テルピネオールや酢酸ブチルを用いることができる。
【0040】
導電性接着剤24aおよび24bのうち、電極Bとリード線とを接続する導電性接着剤(以下、導電性接着剤Bという場合がある)は、PtおよびAuを含む導電性接着剤、または、AlおよびAuを含む導電性接着剤である。具体的には、たとえば、PtおよびAuを主成分(PtとAuとを合計で50モル%以上となるように含む)とする導電性接着剤や、AlおよびAuを主成分(AlとAuとを合計で50モル%以上となるように含む)とする導電性接着剤を用いることができる。さらに具体的には、たとえば、Pt粒子とAu粒子とを含む金属ペーストや、Al粒子とAu粒子とを含む金属ペーストを用いることができる。ここで、導電性接着剤BとしてAlおよびAuを含む導電性接着剤を用いる場合、電極Bの成分および組成と、導電性接着剤Bに含まれる金属の成分および組成とが等しいことが好ましい。
【0041】
実施形態2の炭化水素センサ20では、AuとAlとを含む電極Bとリード線とを接続する導電性接着剤Bが、PtおよびAu、または、AlおよびAuを含む。したがって、炭化水素センサ20によれば、以下の実施例で説明するように、電極とリード線との接着強度が高く、信頼性が高い炭化水素センサが得られる。
【0042】
(実施形態3)
実施形態3では、本発明の炭化水素センサの製造方法について一例を説明する。本発明の製造方法は、プロトンを伝導する固体電解質からなる基板と、基板の表面に形成された電極と、電極に接続されたリード線とを備える炭化水素センサを製造する方法である。実施形態3の製造方法について、製造工程を図3に示す。
【0043】
この製造方法では、まず、図3(a)に示すように基板31の両面(表面)にペーストを塗布することによって、2つの層32(層32aおよび層32b)を形成する。基板31には、実施形態1で説明した基板11と同様の基板を用いることができる。
【0044】
層32aおよび層32bから選ばれる少なくとも1つの層は、Au粒子とAl粒子とを含むペースト(以下、ペーストCという場合がある。)によって形成される。層32aまたは層32bのいずれかが、Au粒子とAl粒子とを含むペーストによって形成されない場合、たとえば、Au粒子のみを含むペーストやPt粒子のみを含むペーストによって形成される。これらの層は、たとえばスクリーン印刷法で形成できる。これらの層の厚さは、たとえば、10μm程度である。
【0045】
ペーストCは、たとえば、Au粒子を含むAuペーストと、Al粒子を含むAlペーストとを混合することによって形成できる。
【0046】
その後、層32aおよび32bが形成された基板31を焼成することによって、図3(b)に示すように、基板31上に一対の電極33(カソード33aおよびアノード33b)を形成する。この焼成工程は、無酸素雰囲気下で行われることが好ましい。無酸素雰囲気下としては、たとえば、窒素ガス、アルゴンガス、ヘリウムガスおよび水素ガスから選ばれる少なくとも1つのガスからなる雰囲気が挙げられる。カソード33aおよびアノード33bから選ばれる少なくとも1つの電極は、AuとAlとを含む電極となる。
【0047】
このようにして、炭化水素センサを製造できる。なお、図3(b)の工程ののち、図3(c)に示すように、電極33aおよび33bとリード線34aおよび34bとを、それぞれ、導電性接着剤35aおよび35bで接続するリード線接続工程を含んでもよい。このリード線接続工程は、電極33とリード線34とを導電性接着剤35で接続して無酸素雰囲気下で焼成することによって行われることが好ましい。このときの無酸素雰囲気下としては、たとえば、窒素ガス、アルゴンガス、ヘリウムガスおよび水素ガスから選ばれる少なくとも1つのガスからなる雰囲気が挙げられる。
【0048】
導電性接着剤35には、一般的な金属ペーストを用いることができるが、実施形態2で説明した導電性接着剤Bを用いることが好ましい。具体的には、PtおよびAuを含む導電性接着剤、またはAlおよびAuを含む導電性接着剤を用いることが好ましい。
【0049】
実施形態3の製造方法では、Au粒子とAl粒子とを含むペーストを用いることによって、AuとAlとを含む電極を容易に形成できる。したがって、実施形態3の製造方法によれば、酸素のブロッキング性能が高い電極を備える炭化水素センサを容易に製造できる。また、実施形態3の製造方法では、無酸素雰囲気下で金属ペーストを形成して電極を形成することによって、以下の実施例で説明するように、AuAl2の含有率が大きく、酸素のブロッキング性能が特に高い電極を備える炭化水素センサを製造できる。
【0050】
【実施例】
以下、実施例を用いて本発明をさらに詳細に説明する。なお、本発明は以下の実施例の条件に限定されない。
【0051】
(実施例1)
実施例1では、実施形態1で説明した炭化水素センサ10を製造した一例について説明する。
【0052】
まず、AuペーストとAlペーストとを各種比率で混合し、これをプロトン伝導体からなる基板(基板11に相当)の一面に印刷し焼成することによって電極(カソード12aに相当)を形成した。焼成は、窒素雰囲気中、850℃で行った。このとき、基板には、BaZr0.6Ce0.2Gd0.23- αからなる基板を用いた。また、Auペーストには田中貴金属株式会社製のTR1206、Alペーストにはノリタケカンパニー製の9203Cを用いた。実施例1では、AuペーストとAlペーストとを、重量比で78:22、75:25、・・・、51:49という様に割合を変化させ、17種類のサンプルを作製した。
【0053】
電極を形成したのち、形成した電極についてX線回折によって組成の定量分析を行った。さらに、アノードとしてPt電極を焼き付けることによって炭化水素センサを作製した。この炭化水素センサについて、室温−800℃間で120回昇温・降温を繰り返す熱サイクル試験を行った。そして、雰囲気を制御できる電気炉中で、熱サイクル前後の炭化水素センサのI−V特性を測定し、1.0V時の電流値について熱サイクルによる変化を計算した。また、熱サイクル前の炭化水素センサについて、水素中と空気中(酸素含有雰囲気)とでI−V特性を測定し、1.0Vの電圧を印加したときの電流値の比を計算した。
【0054】
上記組成によって得られた電極組成と、電極中のAuAl2/Au比と、水素中と空気中における電流値の比と、熱サイクル前後における電流値の変化量とを表1に示す。
【0055】
【表1】

Figure 0003793065
【0056】
なお、表1中、AunAlmとは、AuAl2以外のAu−Al合金を意味する。
【0057】
表1に示した(水素中の電流出力)/(空気中の電流出力)の比が大きいほど、炭化水素センサの電極の酸素ブロッキング性能が高いことを示す。また、表1に示した熱サイクル後の電流出力変化は、その値が小さいほど、熱サイクルの影響を受けにくく信頼性が高い炭化水素センサであることを示す。
【0058】
表1から明らかなように、電極中の初期の単体Al(単体金属であるAl)の含有率が7モル%以下の炭化水素センサは、熱サイクルの影響を受けにくく信頼性が高いことがわかった。電極中の単体Alは、使用時の熱サイクルなどによって徐々に酸化されて酸化アルミニウム(Al23)となる場合がある。したがって、そのような状態を考慮すると、電極中の単体Alの含有率をaモル%とし、電極中の酸化アルミニウムの含有率をbモル%としたときに、a+2b≦7の関係を満たすような電極を用いることによって、熱サイクルの影響を受けにくく信頼性が高い炭化水素センサが得られる。
【0059】
また、表1から、電極中のAuAl2の含有率が高いほど、酸素ブロッキング特性が良好であることがわかった。特に、電極が、AuAl2と単体AuとをAuAl2:Au=X:1−X(ただし、0.6≦X)のモル比となるように含む場合には、酸素ブロッキング特性が非常に良好であった。
【0060】
なお、実施例1では、基板としてBaZr0.6Ce0.2Gd0.23- αからなる基板を用いた場合について説明したが、BaZr0.4Ce0.4In0.23- αからなる基板を用いても同様の結果が得られた。
【0061】
(実施例2)
実施例2では、実施形態2で説明した炭化水素センサ20を製造した一例について説明する。
【0062】
まず、縦横10mm×10mmで厚さ0.45mmのプロトン伝導体(BaZr0.6Ce0.2Gd0.23- α焼結体)からなる基板(基板21に相当)に、Au−Al系の電極(電極22に相当)を焼き付けた試料を準備した。Au−Al系電極には、表1のNo.2の組成を有する電極とNo.4の組成を有する電極とを用いた。リード線には、耐熱性および耐食性の高い直径0.15mmのPtリード線(リード線23aおよび23bに相当)を用いた。そして、リード線と電極とをさまざまな金属ペースト(導電性接着剤24aおよび24bに相当)で焼成接着した。
【0063】
このようにして得られた炭化水素センサについて、4.9×10-2N(5gf)の力でリード線を引っ張って、リード線と電極との接着強度を調べた。また、室温−800℃のサイクルを120回行う熱サイクル試験を行ったのち、同様の方法でリード線と電極との接着強度を調べた。結果を表2に示す。
【0064】
【表2】
Figure 0003793065
【0065】
なお、表2中、○は引っ張り試験で剥がれや断線が生じなかった場合を示し、×は引っ張り試験で剥がれや断線が生じた場合を示す。また、表2中、TR140、TR1206およびMH2014は田中貴金属株式会社製の金属ペーストの品番であり、N−2764、A−3360、U3400、U3820およびA−3444はNEケムキャット製の金属ペーストの品番であり、9203Cはノリタケカンパニー製の金属ペーストの品番である。
【0066】
表2から明らかなように、金属ペーストがPtおよびAuを含む場合、ならびに、金属ペーストがAuおよびAlを含む場合には、Au−Al系電極とリード線との接着強度が高いことがわかった。このように、実施形態2の炭化水素センサによれば、接触不良や断線がなく、信頼性が高い炭化水素センサが得られる。
【0067】
なお、本発明の炭化水素センサは、ペーストの溶剤、バインダーなどの微量副成分や粒度、および焼成条件などについて、本実施例のものに限定されない。実施例2では、Au/Al、Pt/Auの各々の成分を混合したものを2種類ずつ挙げたが、その混合比はどのような混合比でもよく、Pt:99モル%/Au:1モル%の混合比でもよい。また、市販ペーストの組み合わせもどのような組み合わせでもよい。もちろん接着剤の構造、形状はどんなものでもよい。また、電極の組成や成分も、本実施例の例に限定されない。
【0068】
(実施例3)
実施例3では、実施形態3で説明した製造方法で炭化水素センサを製造した一例について説明する。
【0069】
まず、プロトン伝導体(BaZr0.6Ce0.2Gd0.23- α焼結体)からなる基板(基板31に相当)を用意し、この基板上にAu粒子とAl粒子とを含むペーストを塗布してペースト層(層32に相当)を形成した。このとき、Auペースト(田中貴金属株式会社:TR1206)とAlペースト(ノリタケカンパニー:9203C)とを、混合比を変えて混合することによって、Au粒子とAl粒子とを含むペーストを調整した。このとき、AuAl2を多く形成するため、AuAl2の化学量論比の近傍となるような割合でAuペーストとAlペーストとを混合した。
【0070】
その後、焼成条件を変化させて塗布したペーストを焼成(焼き付け)し、電極を形成した。このようにして得られた電極の組成を分析した。得られた結果を表3に示す。
【0071】
【表3】
Figure 0003793065
【0072】
なお、表3中、No.43の3%H2とは、3vol%の水素を含んだ窒素雰囲気を意味する。
【0073】
表3から明らかなように、Au粒子とAl粒子とを含むペーストを焼成することによって、AuとAlとを含む金属によって構成された電極を形成できた。また、ペーストを無酸素雰囲気下で焼成することによって、電極に含まれるAuAl2の含有率を高くすることができた。特に、上述のAuペースト(TR1206)およびAlペースト(9203C)を用いる場合、混合後のペーストが、Au粒子とAl粒子とを、重量比でY:1−Y(ただし、0.54≦Y≦0.6)の割合で含む場合には、AuAl2の含有率を特に高くすることができた。
【0074】
なお、表3の例では、AuペーストとAlペーストを、AuとAlとが78:22、60:40、57:43、54:46の重量比となるように混合し、850℃または900℃で焼成する場合を示した。しかし、本発明は、上述したペーストの混合比や、焼成条件には限定されない。
【0075】
次に、実施形態3で説明した製造方法について、特にリード線接続工程の条件を変えて炭化水素センサを製造した一例について説明する。
【0076】
まず、表3のNo.36またはNo.38の条件で、プロトン伝導体(BaZr0.6Ce0.2Gd0.23- α焼結体)からなる基板上に電極(カソード)を形成した。その後、Ptからなるリード線と電極とを、導電性接着剤を用いて接続した。このとき、導電性接着剤と焼成条件とが異なる複数のサンプルを作製した。得られたサンプルについて、室温−800℃のサイクルを120回行う熱サイクル試験を行った。各サンプルについて、熱サイクル前後におけるリード線と電極との接着強度を実施例2と同様の方法で評価した。評価結果を表4に示す。
【0077】
【表4】
Figure 0003793065
【0078】
なお、表4中、No.44およびNo.45では、電極の成分と、導電性接着剤に含まれる金属の成分とが等しい。
【0079】
表4から明らかなように、無酸素雰囲気下で導電性接着剤の焼成を行うことによって、リード線と電極との初期および熱サイクル後の接着強度を高くすることができ、信頼性が高い炭化水素センサを製造できた。
【0080】
実施例3では、BaZr0.6Ce0.2Gd0.23- αからなる基板を用いた場合について説明したが、BaZr0.4Ce0.42In0.23- αからなる基板を用いても同様の結果が得られた。
【0081】
また、表4の例では、市販のペーストを用いてさまざまな雰囲気下で850℃で焼成してリード線と電極とを接続した。しかし、本発明は、上述した焼成温度や、ペーストの種類には限定されない。たとえば、焼成温度は、900℃でもよい。また、表4の例では材料および混合比が異なる7種類の混合ペーストを用いたが、本発明は表4の例に限定されず、たとえば、Pt:99モル%/Au:1モル%の混合比でもよい。また、電極はAu−Al系の電極であれば実施例以外のものでもよい。
【0082】
以上、本発明の実施の形態について例を挙げて説明したが、本発明は、上記実施の形態に限定されず本発明の技術的思想に基づき他の実施形態に適用することができる。
【0083】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の第1の炭化水素センサによれば、酸素の影響を受けにくく、熱による特性劣化が生じにくい炭化水素センサが得られる。
【0084】
また、本発明の第2の炭化水素センサによれば、電極の剥離やリード線の断線が生じにくく、信頼性が高い炭化水素センサが得られる。
【0085】
また、本発明の炭化水素センサの第1の製造方法によれば、酸素の影響を受けにくい炭化水素センサを容易に製造できる。特に、電極を無酸素雰囲気中で形成することによって、酸素ブロッキング特性が特に高い炭化水素センサを製造できる。
【0086】
また、本発明の炭化水素センサの第2の製造方法によれば、、酸素による影響を受けにくく、熱による特性劣化が生じにくく、さらにリード線と電極との接着強度が高い炭化水素センサを容易に製造できる。
【0087】
本発明によって得られる炭化水素センサは、たとえば、300℃から高温(たとえば800℃)までの温度領域における炭化水素の検知および濃度測定に用いることができる。具体的には、住環境の炭化水素の検知、車のエンジンや、ストーブ、触媒燃焼機器の排ガス中の炭化水素の検知が可能であり、燃焼機関・機器の燃焼制御(リーンバーン)用として利用できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明の炭化水素センサについて一例を示す(a)平面図および(b)断面図である。
【図2】 本発明の炭化水素センサについて他の一例を示す(a)平面図および(b)断面図である。
【図3】 本発明の炭化水素センサの製造方法について一例を示す工程断面図である。
【符号の説明】
10、20 炭化水素センサ
11、21、31 基板
12、22、33 電極
12a、22a、33a カソード
12b、22b、33b アノード
23a、23b、34a、34b リード線
24a、24b、35a、35b 導電性接着剤
32、32a、32b 層[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a hydrocarbon sensor and a method for manufacturing the same.
[0002]
[Prior art]
Hydrocarbon sensors can detect hydrocarbon gas in the living environment, and can detect hydrocarbons in exhaust gas from automobile engines, heating stoves, and catalytic combustion equipment. What can be used for (burn) is known.
[0003]
As a sensor for measuring or detecting hydrocarbons, a hydrocarbon sensor including a thin substrate made of a proton conductor, which is a solid electrolyte, and two electrode layers made of platinum arranged on both sides of the substrate so as to face each other. Are known. In this hydrocarbon sensor, hydrocarbons in the atmosphere to be measured dissociate at the anode to generate protons. This proton moves through a substrate made of an electrolyte. The sensor detects this proton as a voltage or a current flowing between the electrodes.
[0004]
In order to use this hydrocarbon sensor in a combustion engine or combustion equipment, a proton conductor made of an oxide that can be used at room temperature or higher is required. In recent years, as a proton conductor made of an oxide, CaZr which is a calcium zirconium oxide is used.0.9In0.1O3- α(However, α represents oxygen deficiency. The same applies hereinafter.) Has been developed and is being applied to hydrocarbon sensors.
[0005]
However, the above-mentioned calcium-zirconium-based oxide has low proton conductivity (for example, about 5 × 10 5 at 600 ° C.-FourS / cm). Therefore, the inventors have proposed a limiting current type (constant potential electrolysis type) hydrocarbon sensor using a barium cerium-based oxide exhibiting high proton conductivity (see Japanese Patent Laid-Open No. 10-300718). This sensor responded well to hydrocarbons, and was able to detect hydrocarbons on the order of several ppm to several percent almost linearly in the absence of oxygen.
[0006]
However, even in a sensor using a barium cerium oxide, when the hydrocarbon concentration is very small (for example, 10 ppm or less), the output of the sensor is affected by the oxygen concentration. This is because the barium cerium-based oxide has a property of conducting oxide ions, and the output of the sensor varies depending on oxygen taken in at the cathode. For this reason, the inventors have developed a sensor that uses a cathode mainly composed of metallic aluminum and prevents oxygen from entering at the cathode (see JP-A-11-337518). The effect of the cathode containing metallic aluminum was enormous, and even when oxygen of a constant concentration was mixed with the gas to be measured, the output did not increase at all.
[0007]
[Problems to be solved by the invention]
However, even with the above sensor, there is a problem that the ability to detect hydrocarbons decreases when the oxygen concentration is high. When purifying exhaust gas from an automobile engine with a catalyst, if the performance of the catalyst deteriorates, a high concentration hydrocarbon (HC) component and a high concentration oxygen will be contained in the exhaust gas. Therefore, the conventional sensor does not have sufficient characteristics as a sensor for detecting deterioration of the exhaust gas purification catalyst. In addition, when measuring hydrocarbons in exhaust gas, since the temperature change is severe, a sensor that is resistant to thermal cycling is required. In the case of a conventional sensor using an electrode containing Al, Al forms a non-conductor during the thermal cycle and deteriorates the characteristics.
[0008]
In order to solve the above problems, a first object of the present invention is to provide a hydrocarbon sensor that is not easily affected by oxygen and is less susceptible to deterioration of characteristics due to heat.
[0009]
The second object of the present invention is to provide a method for producing a hydrocarbon sensor that is not easily affected by oxygen.
[0010]
Further, in the conventional hydrocarbon sensor, Pt or Au has been used alone as a conductive adhesive between the electrode and the output lead wire. However, such a conventional hydrocarbon sensor has a problem in that electrode peeling or lead wire breakage easily occurs. In order to solve the above problems, a third object of the present invention is to provide a highly reliable hydrocarbon sensor.
[0011]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, a first hydrocarbon sensor of the present invention is a hydrocarbon sensor comprising a substrate made of a solid electrolyte that conducts protons and a pair of electrodes formed on the surface of the substrate. At least one of the electrodes includes Au and Al, the content of simple Al (aluminum which is a simple metal) in the at least one electrode is a mol%, and the oxidation in the at least one electrode Aluminum (Al2OThree) Content is b mol%, a and b satisfy the relationship of a + 2b ≦ 7. According to the first hydrocarbon sensor, it is possible to obtain a hydrocarbon sensor that is not easily affected by oxygen and that is less susceptible to deterioration of characteristics due to heat.
[0012]
In the first hydrocarbon sensor, the at least one electrode is AuAl2At least one metal selected from an alloy and simple substance Au (gold which is a simple metal) may be contained in a proportion of 50 mol% or more. That is, the at least one electrode is AuAl2When both the alloy and the simple substance Au are included, they may be included so that the sum of both is 50 mol% or more. Metals having these compositions have a high melting point, and an electrode having high heat resistance can be obtained.
[0013]
In the first hydrocarbon sensor, the at least one electrode is AuAl2And simple substance Au, AuAl2: Au = X: 1-X (provided that the molar ratio is 0.6 ≦ X ≦ 1). According to this configuration, a hydrocarbon sensor including an electrode with particularly high oxygen blocking performance can be obtained.
[0014]
The second hydrocarbon sensor of the present invention is a hydrocarbon comprising a substrate made of a solid electrolyte that conducts protons, a pair of electrodes formed on the surface of the substrate, and lead wires connected to the electrodes. In the sensor, at least one of the pair of electrodes includes Au and Al, and the at least one electrode and the lead wire include a conductive adhesive including Pt and Au, or Al and Au. They are connected by a conductive adhesive. According to the second hydrocarbon sensor, a highly reliable hydrocarbon sensor can be obtained, which is less likely to cause electrode peeling or lead wire breakage.
[0015]
In the second hydrocarbon sensor, the at least one electrode and the lead wire are connected by a conductive adhesive containing Al and Au, and the component of the at least one electrode and the conductive adhesive are connected to each other. The component of the metal contained may be equal. According to this configuration, the electrode and the conductive adhesive are integrated to obtain stronger adhesive strength.
[0016]
The first method for producing a hydrocarbon sensor of the present invention is a method for producing a hydrocarbon sensor comprising a substrate made of a solid electrolyte that conducts protons, and an electrode formed on a surface of the substrate. The method includes forming the electrode including an alloy of Au and Al by applying and baking a paste including Au particles and Al particles thereon. According to the first manufacturing method, it is possible to easily manufacture a hydrocarbon sensor that is not easily affected by oxygen.
[0017]
In the first manufacturing method, the content of simple Al in the electrode immediately after firing may be 7 mol% or less. According to this configuration, it is possible to manufacture a hydrocarbon sensor that is unlikely to deteriorate in characteristics due to heat.
[0018]
In the first manufacturing method, the firing may be performed in an oxygen-free atmosphere. According to this configuration, a hydrocarbon sensor having particularly high oxygen blocking characteristics can be manufactured.
[0019]
In the first manufacturing method, the oxygen-free atmosphere may be an atmosphere made of at least one gas selected from nitrogen gas, argon gas, helium gas, and hydrogen gas.
[0020]
A second method for producing a hydrocarbon sensor according to the present invention includes a substrate made of a solid electrolyte that conducts protons, an electrode formed on a surface of the substrate, and a lead wire connected to the electrode. The method for manufacturing a hydrogen sensor includes a step of connecting the electrode and the lead wire with a conductive adhesive and firing in an oxygen-free atmosphere, wherein the electrode includes Au and Al. According to the second manufacturing method, it is possible to easily manufacture a hydrocarbon sensor that is not easily affected by oxygen, is not easily deteriorated in characteristics due to heat, and has high adhesive strength between the lead wire and the electrode.
[0021]
In the second manufacturing method, the conductive adhesive may be a conductive adhesive containing Pt and Au, or a conductive adhesive containing Al and Au. According to this configuration, it is possible to manufacture a hydrocarbon sensor having higher adhesion strength between the lead wire and the electrode.
[0022]
In the second manufacturing method, the oxygen-free atmosphere in the lead wire connecting step may be an atmosphere made of at least one gas selected from nitrogen gas, argon gas, helium gas, and hydrogen gas.
[0023]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
[0024]
(Embodiment 1)
In the first embodiment, an example of the hydrocarbon sensor of the present invention will be described. FIG. 1A shows a plan view of the hydrocarbon sensor 10 according to the first embodiment, and FIG. 1B shows a cross-sectional view taken along line XX in FIG.
[0025]
Referring to FIGS. 1A and 1B, a hydrocarbon sensor 10 includes a substrate 11 made of a solid electrolyte that conducts protons, and a pair of electrodes 12 formed on the surface of the substrate 11. The hydrocarbon sensor 10 includes a lead wire connected to the electrode 12 as necessary. It is preferable to use what is demonstrated in the following Embodiment 2 for the conductive adhesive and lead wire at this time.
[0026]
The substrate 11 is made of a solid electrolyte that conducts at least protons. For example, BaCe0.8Gd0.2O3- αAnd BaCe0.8Y0.2O3- αBarium cerium oxide such as BaZr0.8Y0.2O3- αBarium zirconium oxide or BaZr0.6Ce0.2Gd0.2O3- αAnd BaZr0.4Ce0.4In0.2O3- αA substrate made of a barium zirconium cerium-based oxide can be used. Here, α represents oxygen deficiency. α is a value such that the positive charge and the negative charge in the solid electrolyte are substantially equal. For example, BaCe0.8Gd0.2O3- αIn this case, since Ba is a divalent positive ion, Ce is a tetravalent positive ion, Gd is a trivalent positive ion, and oxygen is a divalent negative ion, α = 3- (2 + 0.8 * 4 + 0 .2 * 3) /2≈0.1.
[0027]
The pair of electrodes 12 includes a cathode 12a and an anode 12b. At least one electrode selected from the cathode 12a and the anode 12b (hereinafter also referred to as electrode A) includes Au and Al. In particular, the cathode 12a preferably contains Au and Al, that is, the electrode A.
[0028]
The electrode A preferably satisfies the relationship of a + 2b ≦ 7 when the content of simple Al (Al, which is a simple metal) in the electrode A is a mol% and the aluminum oxide in the electrode A is b mol%. Satisfies the relationship of a + 2b ≦ 5. The smaller the value of a + 2b, the better. The electrode A satisfying the relationship of a + 2b ≦ 7 is, for example, TR1206 (Au paste manufactured by Tanaka Kikinzoku Co., Ltd.) and 9203C (Al paste manufactured by Noritake Co.) at a weight ratio of 57:43 or 54:46. It can be formed by mixing and firing.
[0029]
The electrode A is AuAl2It is preferable that at least one metal selected from an alloy and simple substance Au is contained in a proportion of 50 mol% or more, and more preferably 75 mol% or more. AuAl2Higher contents of the alloy and the simple substance Au are more preferable. In this case, the electrode A is AuAl2And simple substance Au, AuAl2: Au = X: 1-X (provided that the molar ratio is 0.6 ≦ X ≦ 1).
[0030]
When either the cathode 12a or the anode 12b is not the electrode A containing Au and Al, for example, an electrode made of Pt or an electrode made of Au can be used as the electrode.
[0031]
The electrode 12 can be formed using, for example, a method of applying and baking a metal paste, a solid phase method, a vapor phase film forming method such as sputtering or CVD, or a liquid phase film forming method such as plating.
[0032]
Since the hydrocarbon sensor 10 of Embodiment 1 includes the electrode A containing Au and Al, the performance of blocking oxygen with the electrode is high. Therefore, the hydrocarbon sensor 10 is not easily affected by oxygen. Moreover, since the hydrocarbon sensor 10 has a small amount of simple substance Al in the electrode A, the characteristic deterioration due to heat hardly occurs.
[0033]
(Embodiment 2)
Embodiment 2 demonstrates another example about the hydrocarbon sensor of this invention. FIG. 2A shows a plan view of the hydrocarbon sensor 20 according to the second embodiment, and FIG. 2B shows a cross-sectional view taken along line YY in FIG. 2A.
[0034]
2 (a) and 2 (b), a hydrocarbon sensor 20 according to Embodiment 2 includes a substrate 21 made of a solid electrolyte that conducts protons, and a pair of electrodes 22 (cathode 22a) formed on the substrate 21. And lead wires 23a and 23b connected to the cathode 22a and the anode 22b, respectively.
[0035]
As the substrate 21, a substrate similar to the substrate 11 of Embodiment 1 can be used.
[0036]
At least one electrode selected from the cathode 22a and the anode 22b (hereinafter sometimes referred to as an electrode B) contains Au and Al. Specifically, an electrode similar to the electrode A described in Embodiment 1 can be used. When either the cathode 22a or the anode 22b does not contain Au and Al, for example, an electrode made of Pt or an electrode made of Au can be used as the electrode.
[0037]
For the lead wire 23a and the lead wire 23b, for example, a lead wire made of a metal such as Pt, Au, or Ag can be used.
[0038]
The cathode 22a and the anode 22b are connected to the lead wire 23a and the lead wire 23b by conductive adhesives 24a and 24b, respectively.
[0039]
A metal paste can be used for the conductive adhesives 24a and 24b. Here, the metal paste is obtained by adding a binder, a resin, a solvent, or the like to particles made of metal as necessary (the same applies to the following metal paste). For example, polyvinyl alcohol (poly (vinyl alcohol): PVA) or polyvinyl chloride (PVC) can be used as the resin. For example, terpineol or butyl acetate can be used as the solvent.
[0040]
Of the conductive adhesives 24a and 24b, a conductive adhesive that connects the electrode B and the lead wire (hereinafter, also referred to as a conductive adhesive B) is a conductive adhesive containing Pt and Au, or A conductive adhesive containing Al and Au. Specifically, for example, a conductive adhesive containing Pt and Au as main components (including Pt and Au in a total amount of 50 mol% or more), and Al and Au as main components (Al and Au). Can be used in a total amount of 50 mol% or more). More specifically, for example, a metal paste containing Pt particles and Au particles or a metal paste containing Al particles and Au particles can be used. Here, when a conductive adhesive containing Al and Au is used as the conductive adhesive B, it is preferable that the component and composition of the electrode B and the component and composition of the metal contained in the conductive adhesive B are equal.
[0041]
In the hydrocarbon sensor 20 of the second embodiment, the conductive adhesive B that connects the electrode B containing Au and Al and the lead wire contains Pt and Au, or Al and Au. Therefore, according to the hydrocarbon sensor 20, as will be described in the following examples, a hydrocarbon sensor having high adhesion strength between the electrode and the lead wire and high reliability can be obtained.
[0042]
(Embodiment 3)
In Embodiment 3, an example of the method for producing a hydrocarbon sensor of the present invention will be described. The production method of the present invention is a method for producing a hydrocarbon sensor comprising a substrate made of a solid electrolyte that conducts protons, an electrode formed on the surface of the substrate, and a lead wire connected to the electrode. The manufacturing process of the manufacturing method of Embodiment 3 is shown in FIG.
[0043]
In this manufacturing method, first, as shown in FIG. 3A, two layers 32 (layer 32a and layer 32b) are formed by applying a paste to both surfaces (surfaces) of the substrate 31. As the substrate 31, a substrate similar to the substrate 11 described in Embodiment 1 can be used.
[0044]
At least one layer selected from the layer 32a and the layer 32b is formed of a paste containing Au particles and Al particles (hereinafter also referred to as paste C). When either the layer 32a or the layer 32b is not formed by a paste containing Au particles and Al particles, for example, it is formed by a paste containing only Au particles or a paste containing only Pt particles. These layers can be formed by, for example, a screen printing method. The thickness of these layers is, for example, about 10 μm.
[0045]
The paste C can be formed, for example, by mixing an Au paste containing Au particles and an Al paste containing Al particles.
[0046]
Thereafter, the substrate 31 on which the layers 32a and 32b are formed is baked to form a pair of electrodes 33 (a cathode 33a and an anode 33b) on the substrate 31, as shown in FIG. This firing step is preferably performed in an oxygen-free atmosphere. Examples of the oxygen-free atmosphere include an atmosphere composed of at least one gas selected from nitrogen gas, argon gas, helium gas, and hydrogen gas. At least one electrode selected from the cathode 33a and the anode 33b is an electrode containing Au and Al.
[0047]
In this way, a hydrocarbon sensor can be manufactured. In addition, after the process of FIG.3 (b), as shown in FIG.3 (c), the lead wire connection which connects the electrodes 33a and 33b and the lead wires 34a and 34b with the conductive adhesives 35a and 35b, respectively. A process may be included. This lead wire connecting step is preferably performed by connecting the electrode 33 and the lead wire 34 with a conductive adhesive 35 and firing in an oxygen-free atmosphere. Examples of the oxygen-free atmosphere at this time include an atmosphere made of at least one gas selected from nitrogen gas, argon gas, helium gas, and hydrogen gas.
[0048]
As the conductive adhesive 35, a general metal paste can be used, but it is preferable to use the conductive adhesive B described in the second embodiment. Specifically, it is preferable to use a conductive adhesive containing Pt and Au or a conductive adhesive containing Al and Au.
[0049]
In the manufacturing method of Embodiment 3, an electrode containing Au and Al can be easily formed by using a paste containing Au particles and Al particles. Therefore, according to the manufacturing method of Embodiment 3, it is possible to easily manufacture a hydrocarbon sensor including an electrode with high oxygen blocking performance. In addition, in the manufacturing method of Embodiment 3, by forming a metal paste in an oxygen-free atmosphere to form an electrode, as described in the following examples, AuAl2A hydrocarbon sensor having an electrode with a high content of oxygen and a particularly high oxygen blocking performance can be produced.
[0050]
【Example】
Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to examples. In addition, this invention is not limited to the conditions of a following example.
[0051]
(Example 1)
In Example 1, an example in which the hydrocarbon sensor 10 described in Embodiment 1 is manufactured will be described.
[0052]
First, Au paste and Al paste were mixed at various ratios, and this was printed on one surface of a substrate made of a proton conductor (corresponding to the substrate 11) and baked to form an electrode (corresponding to the cathode 12a). Firing was performed at 850 ° C. in a nitrogen atmosphere. At this time, the substrate has BaZr0.6Ce0.2Gd0.2O3- αA substrate consisting of In addition, TR1206 manufactured by Tanaka Kikinzoku Co., Ltd. was used as the Au paste, and 9203C manufactured by Noritake Company was used as the Al paste. In Example 1, 17 types of samples were prepared by changing the ratio of Au paste and Al paste in a weight ratio of 78:22, 75:25,..., 51:49.
[0053]
After forming the electrode, the composition of the formed electrode was quantitatively analyzed by X-ray diffraction. Further, a hydrocarbon sensor was fabricated by baking a Pt electrode as an anode. About this hydrocarbon sensor, the thermal cycle test which repeats temperature rising / falling temperature 120 times between room temperature-800 degreeC was done. And the IV characteristic of the hydrocarbon sensor before and behind a thermal cycle was measured in the electric furnace which can control atmosphere, and the change by a thermal cycle was calculated about the electric current value at the time of 1.0V. Further, for the hydrocarbon sensor before the thermal cycle, the IV characteristics were measured in hydrogen and in air (oxygen-containing atmosphere), and the ratio of current values when a voltage of 1.0 V was applied was calculated.
[0054]
Electrode composition obtained by the above composition and AuAl in the electrode2Table 1 shows the / Au ratio, the ratio of current values in hydrogen and air, and the amount of change in current value before and after thermal cycling.
[0055]
[Table 1]
Figure 0003793065
[0056]
In Table 1, AunAlmIs AuAl2Other than Au—Al alloy.
[0057]
The larger the ratio of (current output in hydrogen) / (current output in air) shown in Table 1, the higher the oxygen blocking performance of the electrode of the hydrocarbon sensor. Moreover, the current output change after the thermal cycle shown in Table 1 indicates that the smaller the value is, the more reliable the hydrocarbon sensor is, which is less affected by the thermal cycle.
[0058]
As is apparent from Table 1, it is understood that a hydrocarbon sensor having an initial content of elemental Al (Al, which is an elemental metal) in the electrode of 7 mol% or less is less susceptible to thermal cycles and has high reliability. It was. The simple substance Al in the electrode is gradually oxidized by the thermal cycle at the time of use, and aluminum oxide (Al2OThree). Therefore, in consideration of such a state, when the content of simple Al in the electrode is a mol% and the content of aluminum oxide in the electrode is b mol%, the relationship of a + 2b ≦ 7 is satisfied. By using the electrode, it is possible to obtain a hydrocarbon sensor that is hardly affected by the thermal cycle and has high reliability.
[0059]
Also, from Table 1, AuAl in the electrode2It was found that the higher the content of, the better the oxygen blocking property. In particular, the electrode is AuAl2And simple substance Au and AuAl2: Au = X: 1-X (provided that the molar ratio of 0.6 ≦ X) was included, the oxygen blocking property was very good.
[0060]
In Example 1, the substrate is BaZr.0.6Ce0.2Gd0.2O3- αAlthough the case where the board | substrate which consists of was used was demonstrated, BaZr0.4Ce0.4In0.2O3- αSimilar results were obtained using a substrate comprising
[0061]
(Example 2)
In Example 2, an example in which the hydrocarbon sensor 20 described in Embodiment 2 is manufactured will be described.
[0062]
First, a proton conductor (BaZr) having a length and width of 10 mm × 10 mm and a thickness of 0.45 mm.0.6Ce0.2Gd0.2O3- αA sample in which an Au—Al-based electrode (corresponding to the electrode 22) was baked on a substrate (corresponding to the substrate 21) made of a sintered body was prepared. For the Au—Al-based electrode, No. 1 in Table 1 was used. No. 2 and No. 2 electrode. An electrode having a composition of 4 was used. As the lead wire, a Pt lead wire (corresponding to the lead wires 23a and 23b) having a diameter of 0.15 mm having high heat resistance and corrosion resistance was used. Then, the lead wire and the electrode were baked and bonded with various metal pastes (corresponding to the conductive adhesives 24a and 24b).
[0063]
About the hydrocarbon sensor obtained in this way, 4.9 × 10-2The lead wire was pulled with a force of N (5 gf) to examine the adhesive strength between the lead wire and the electrode. Further, after conducting a thermal cycle test in which a cycle of room temperature to 800 ° C. was performed 120 times, the adhesion strength between the lead wire and the electrode was examined by the same method. The results are shown in Table 2.
[0064]
[Table 2]
Figure 0003793065
[0065]
In Table 2, ○ indicates a case where peeling or disconnection did not occur in the tensile test, and × indicates a case where peeling or disconnection occurred in the tensile test. In Table 2, TR140, TR1206, and MH2014 are part numbers of metal paste manufactured by Tanaka Kikinzoku Co., Ltd., and N-2864, A-3360, U3400, U3820, and A-3444 are part numbers of metal paste made by NE Chemcat. Yes, 9203C is the product number of the metal paste manufactured by Noritake Company.
[0066]
As is clear from Table 2, it was found that when the metal paste contains Pt and Au, and when the metal paste contains Au and Al, the adhesive strength between the Au—Al-based electrode and the lead wire is high. . Thus, according to the hydrocarbon sensor of the second embodiment, a highly reliable hydrocarbon sensor without contact failure or disconnection can be obtained.
[0067]
In addition, the hydrocarbon sensor of the present invention is not limited to the one of this embodiment with respect to trace minor components such as paste solvent, binder, particle size, and firing conditions. In Example 2, two types of materials in which the respective components of Au / Al and Pt / Au were mixed were listed. The mixing ratio may be any mixing ratio, and Pt: 99 mol% / Au: 1 mol. % Mixing ratio may be used. Further, any combination of commercially available pastes may be used. Of course, the adhesive may have any structure and shape. Further, the composition and components of the electrode are not limited to the example of this embodiment.
[0068]
(Example 3)
In Example 3, an example in which a hydrocarbon sensor is manufactured by the manufacturing method described in Embodiment 3 will be described.
[0069]
First, proton conductor (BaZr0.6Ce0.2Gd0.2O3- αA substrate made of a sintered body (corresponding to the substrate 31) was prepared, and a paste containing Au particles and Al particles was applied on the substrate to form a paste layer (corresponding to the layer 32). At this time, a paste containing Au particles and Al particles was prepared by mixing Au paste (Tanaka Kikinzoku Co., Ltd .: TR1206) and Al paste (Noritake Company: 9203C) at different mixing ratios. At this time, AuAl2To form a large amount of AuAl2The Au paste and the Al paste were mixed at a ratio so as to be close to the stoichiometric ratio.
[0070]
Thereafter, the paste applied by changing the firing conditions was fired (baked) to form an electrode. The composition of the electrode thus obtained was analyzed. The obtained results are shown in Table 3.
[0071]
[Table 3]
Figure 0003793065
[0072]
In Table 3, No. 43% 3% H2Means a nitrogen atmosphere containing 3 vol% hydrogen.
[0073]
As is apparent from Table 3, an electrode composed of a metal containing Au and Al could be formed by firing a paste containing Au particles and Al particles. In addition, by baking the paste in an oxygen-free atmosphere, AuAl contained in the electrode2The content of can be increased. In particular, when the above-described Au paste (TR1206) and Al paste (9203C) are used, the paste after mixing contains Au particles and Al particles in a weight ratio of Y: 1-Y (where 0.54 ≦ Y ≦ 0.6Al) if included at a rate of 0.6)2The content of can be increased particularly.
[0074]
In the example of Table 3, Au paste and Al paste are mixed so that the weight ratio of Au and Al is 78:22, 60:40, 57:43, 54:46, and is 850 ° C. or 900 ° C. The case of firing with was shown. However, the present invention is not limited to the paste mixing ratio and firing conditions described above.
[0075]
Next, the manufacturing method described in the third embodiment will be described with respect to an example in which a hydrocarbon sensor is manufactured by changing the conditions of the lead wire connecting process.
[0076]
First, in Table 3, No. 36 or no. Under the condition of 38, the proton conductor (BaZr0.6Ce0.2Gd0.2O3- αAn electrode (cathode) was formed on a substrate made of a sintered body. Thereafter, the lead wire made of Pt and the electrode were connected using a conductive adhesive. At this time, a plurality of samples having different conductive adhesives and firing conditions were produced. About the obtained sample, the thermal cycle test which performs a cycle of room temperature-800 degreeC 120 times was done. For each sample, the adhesive strength between the lead wire and the electrode before and after the thermal cycle was evaluated by the same method as in Example 2. The evaluation results are shown in Table 4.
[0077]
[Table 4]
Figure 0003793065
[0078]
In Table 4, No. 44 and no. In 45, the electrode component is equal to the metal component contained in the conductive adhesive.
[0079]
As can be seen from Table 4, by firing the conductive adhesive in an oxygen-free atmosphere, the initial strength between the lead wire and the electrode and after the thermal cycle can be increased, and carbonization is highly reliable. A hydrogen sensor could be manufactured.
[0080]
In Example 3, BaZr0.6Ce0.2Gd0.2O3- αAlthough the case where the board | substrate which consists of was used was demonstrated, BaZr0.4Ce0.42In0.2O3- αSimilar results were obtained using a substrate comprising
[0081]
Moreover, in the example of Table 4, it baked at 850 degreeC by various atmosphere using the commercially available paste, and the lead wire and the electrode were connected. However, the present invention is not limited to the above-described firing temperature and paste type. For example, the firing temperature may be 900 ° C. In the example of Table 4, seven types of mixed pastes having different materials and mixing ratios were used. However, the present invention is not limited to the example of Table 4, for example, Pt: 99 mol% / Au: 1 mol% It may be a ratio. Further, the electrode may be other than the embodiment as long as it is an Au—Al based electrode.
[0082]
Although the embodiments of the present invention have been described above by way of examples, the present invention is not limited to the above-described embodiments, and can be applied to other embodiments based on the technical idea of the present invention.
[0083]
【The invention's effect】
As described above, according to the first hydrocarbon sensor of the present invention, it is possible to obtain a hydrocarbon sensor that is not easily affected by oxygen and is less susceptible to deterioration of characteristics due to heat.
[0084]
Moreover, according to the 2nd hydrocarbon sensor of this invention, peeling of an electrode or disconnection of a lead wire does not arise easily, and a highly reliable hydrocarbon sensor is obtained.
[0085]
In addition, according to the first method for producing a hydrocarbon sensor of the present invention, a hydrocarbon sensor that is hardly affected by oxygen can be easily produced. In particular, by forming the electrode in an oxygen-free atmosphere, a hydrocarbon sensor with particularly high oxygen blocking characteristics can be manufactured.
[0086]
In addition, according to the second method for producing a hydrocarbon sensor of the present invention, a hydrocarbon sensor which is not easily affected by oxygen, hardly deteriorates in characteristics due to heat, and has high adhesion strength between a lead wire and an electrode can be easily obtained. Can be manufactured.
[0087]
The hydrocarbon sensor obtained by the present invention can be used for detection and concentration measurement of hydrocarbons in a temperature range from 300 ° C. to high temperature (for example, 800 ° C.), for example. Specifically, it can detect hydrocarbons in the living environment and can detect hydrocarbons in exhaust gas from car engines, stoves, and catalytic combustion equipment, and is used for combustion control (lean burn) of combustion engines and equipment. it can.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1A is a plan view and FIG. 1B is a sectional view showing an example of a hydrocarbon sensor of the present invention.
2A is a plan view and FIG. 2B is a cross-sectional view showing another example of the hydrocarbon sensor of the present invention. FIG.
FIG. 3 is a process cross-sectional view illustrating an example of a method for producing a hydrocarbon sensor of the present invention.
[Explanation of symbols]
10, 20 Hydrocarbon sensor
11, 21, 31 Substrate
12, 22, 33 electrodes
12a, 22a, 33a Cathode
12b, 22b, 33b Anode
23a, 23b, 34a, 34b Lead wire
24a, 24b, 35a, 35b conductive adhesive
32, 32a, 32b layers

Claims (12)

プロトンを伝導する固体電解質からなる基板と、前記基板の表面に形成された一対の電極とを備える炭化水素センサにおいて、
前記一対の電極のうちの少なくとも1つの電極がAuとAlとを含み、
前記少なくとも1つの電極中の単体Alの含有率をaモル%とし、前記少なくとも1つの電極中の酸化アルミニウムの含有率をbモル%としたときに、aとbとが、a+2b≦7の関係を満たすことを特徴とする炭化水素センサ。
In a hydrocarbon sensor comprising a substrate made of a solid electrolyte that conducts protons, and a pair of electrodes formed on the surface of the substrate,
At least one of the pair of electrodes includes Au and Al;
When the content of simple Al in the at least one electrode is a mol% and the content of aluminum oxide in the at least one electrode is b mol%, a and b have a relationship of a + 2b ≦ 7 A hydrocarbon sensor characterized by satisfying
前記少なくとも1つの電極が、AuAl2合金および単体Auから選ばれる少なくとも1つの金属を、50モル%以上の割合で含む請求項1に記載の炭化水素センサ。 2. The hydrocarbon sensor according to claim 1, wherein the at least one electrode includes at least one metal selected from AuAl 2 alloy and elemental Au at a ratio of 50 mol% or more. 前記少なくとも1つの電極が、AuAl2と単体Auとを、AuAl2:Au=X:1−X(ただし、0.6≦X≦1)のモル比となるように含む請求項2に記載の炭化水素センサ。Wherein at least one electrode, the AuAl 2 and single Au, AuAl 2: Au = X : 1-X ( provided that, 0.6 ≦ X ≦ 1) according to claim 2 containing as a molar ratio of Hydrocarbon sensor. プロトンを伝導する固体電解質からなる基板と、前記基板の表面に形成された一対の電極と、前記電極に接続されたリード線とを備える炭化水素センサにおいて、
前記一対の電極のうちの少なくとも1つの電極がAuとAlとを含み、
前記少なくとも1つの電極と前記リード線とが、PtおよびAuを含む導電性接着剤、またはAlおよびAuを含む導電性接着剤によって接続されていることを特徴とする炭化水素センサ。
In a hydrocarbon sensor comprising a substrate made of a solid electrolyte that conducts protons, a pair of electrodes formed on the surface of the substrate, and lead wires connected to the electrodes,
At least one of the pair of electrodes includes Au and Al;
The hydrocarbon sensor, wherein the at least one electrode and the lead wire are connected by a conductive adhesive containing Pt and Au or a conductive adhesive containing Al and Au.
前記少なくとも1つの電極と前記リード線とが、AlおよびAuを含む導電性接着剤によって接続されており、
前記少なくとも1つの電極の成分と前記導電性接着剤に含まれる金属の成分とが等しい請求項4に記載の炭化水素センサ。
The at least one electrode and the lead wire are connected by a conductive adhesive containing Al and Au;
The hydrocarbon sensor according to claim 4, wherein a component of the at least one electrode is equal to a component of a metal contained in the conductive adhesive.
プロトンを伝導する固体電解質からなる基板と、前記基板の表面に形成された電極とを備える炭化水素センサを製造する方法において、
前記基板上にAu粒子とAl粒子とを含むペーストを塗布して焼成することによって、AuとAlとの合金を含む前記電極を形成する工程を含むことを特徴とする炭化水素センサの製造方法。
In a method of manufacturing a hydrocarbon sensor comprising a substrate made of a solid electrolyte that conducts protons, and an electrode formed on the surface of the substrate,
A method for producing a hydrocarbon sensor, comprising: forming the electrode containing an alloy of Au and Al by applying and baking a paste containing Au particles and Al particles on the substrate.
焼成直後における前記電極中の単体Alの含有率が、7モル%以下である請求項6に記載の炭化水素センサの製造方法。The method for producing a hydrocarbon sensor according to claim 6, wherein the content of simple Al in the electrode immediately after firing is 7 mol% or less. 前記焼成が無酸素雰囲気下で行われる請求項6または7に記載の炭化水素センサの製造方法。The method for producing a hydrocarbon sensor according to claim 6 or 7, wherein the firing is performed in an oxygen-free atmosphere. 前記無酸素雰囲気が、窒素ガス、アルゴンガス、ヘリウムガスおよび水素ガスから選ばれる少なくとも1つのガスからなる雰囲気である請求項8に記載の炭化水素センサの製造方法。The method for producing a hydrocarbon sensor according to claim 8, wherein the oxygen-free atmosphere is an atmosphere made of at least one gas selected from nitrogen gas, argon gas, helium gas, and hydrogen gas. プロトンを伝導する固体電解質からなる基板と、前記基板の表面に形成された電極と、前記電極に接続されたリード線とを備える炭化水素センサの製造方法において、
前記電極と前記リード線とを導電性接着剤で接続して無酸素雰囲気下で焼成する工程を含み、
前記電極がAuとAlとを含むことを特徴とする炭化水素センサの製造方法。
In a method for producing a hydrocarbon sensor comprising a substrate made of a solid electrolyte that conducts protons, an electrode formed on the surface of the substrate, and a lead wire connected to the electrode,
Connecting the electrode and the lead wire with a conductive adhesive and firing in an oxygen-free atmosphere,
A method for producing a hydrocarbon sensor, wherein the electrode contains Au and Al.
前記導電性接着剤が、PtおよびAuを含む導電性接着剤、またはAlおよびAuを含む導電性接着剤である請求項10に記載の炭化水素センサの製造方法。The method for manufacturing a hydrocarbon sensor according to claim 10, wherein the conductive adhesive is a conductive adhesive containing Pt and Au, or a conductive adhesive containing Al and Au. 前記無酸素雰囲気が、窒素ガス、アルゴンガス、ヘリウムガスおよび水素ガスから選ばれる少なくとも1つのガスからなる雰囲気である請求項10または11に記載の炭化水素センサの製造方法。The method for producing a hydrocarbon sensor according to claim 10 or 11, wherein the oxygen-free atmosphere is an atmosphere made of at least one gas selected from nitrogen gas, argon gas, helium gas, and hydrogen gas.
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