JP4054869B2 - 抵抗型酸素センサの酸素分圧検出部分の製造方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、抵抗型酸素センサの酸素分圧検出部分に使用される多孔体厚膜の製造方法に関するものであり、更に詳しくは、排ガスの浄化率向上や燃費向上のために、自動車等の排ガスの空燃比を制御するための空燃比フィードバック制御システムに使われる酸素分圧を測定する酸素センサの酸素分圧検出部分である酸化セリウム系多孔体厚膜及びその製造方法に関するものである。ここで、空燃比とは、空気と燃料の比であり、酸素分圧と空燃比とは１対１の関係が成り立つ。
【０００２】
【従来の技術】
これまで、自動車用の酸素ガスセンサとしては、主として、固体電解質のものが用いられてきた（例えば、特許文献１参照）。このタイプのセンサは、基準極と測定極の酸素分圧の違いを起電力として測定するものであり、必ず基準極が必要であるため、構造が複雑であり、小型化が困難であるという問題点があった。このような問題点を克服するために、基準極を必要としない抵抗型酸素ガスセンサが開発されている（例えば、特許文献２参照）。この抵抗型酸素ガスセンサの測定原理を簡単に説明すると、まず、雰囲気の酸素分圧が変化したときに、酸化物半導体の酸素空孔濃度が変化する。酸化物半導体の抵抗率あるいは電気伝導度は、酸素空孔濃度と１対１の対応関係があり、酸素空孔濃度の変化に伴い、酸化物半導体の抵抗率が変化する。その抵抗率を測定することにより、雰囲気の酸素分圧を知ることができる。
【０００３】
しかし、この抵抗型酸素ガスセンサには、酸素分圧が変化したときの出力の応答性が劣るという問題点があった（例えば、特許文献３参照）。また、抵抗型酸素ガスセンサの酸化物半導体として、酸化チタニウムが使われてきたが、この材料には、耐久性や安定性に劣るという問題点があった。これらの問題点を克服するために、本発明者らは、酸化物半導体として、酸化セリウムを用いた抵抗型酸素ガスセンサの研究及び開発を行ってきたが、その理由は、酸化セリウムは、腐食ガス中において耐久性があるためである（非特許文献１参照）。本発明者らは、その研究開発の過程で、酸化セリウムを用いた抵抗型酸素センサにおいて、酸化セリウムの平均粒径を２００ｎｍまで小さくすることにより、また、酸化セリウムに酸化ジルコニウムを添加することにより、応答速度が改善されることを見出し、先に、特許出願をした。
【０００４】
これらの発明において、酸素分圧検出部分の形状としては、厚膜が好適であり、応答速度を良くするには、該厚膜の粒径を小さくする必要がある。その厚膜の製造方法は、次のとおりである。まず、酸化物の微粒子からなる粉末原料として、その原料を含むペーストを作製し、それをスクリーン印刷により塗布し、焼成することにより、抵抗型酸素センサの酸素分圧検出部分である多孔体厚膜を作製する。ここで、酸素センサは、作動温度が最高で１０００℃まで達する。従って、１０００℃以下の温度で、粒成長などが生じないように、スクリーン印刷されたものを、予め１０００℃を超える温度で焼成する必要がある。
【０００５】
これらの発明では、原料粉末を噴霧熱分解法で作製したが、この方法では、微粒子の特性として、凝集が生じにくく、また、その原料粉末の微粒子は、粒径が比較的大きい（約４０ｎｍ以上）ことから、これを用いてペーストを作製し、スクリーン印刷するだけで、クラックのきわめて少ない多孔体厚膜が得られた。しかし、噴霧熱分解法では、単位時間当たりの粉末の製造量が少ないという問題があった。一方、他の方法でも、酸化セリウムあるいは酸化セリウムを主成分とする酸化物の微粒子を得ることができる（特許文献４参照）。この方法は、主たる目的が非常に細かい微粒子を得るための手法であって、大量生産が可能な手法であり、工業的観点からは、噴霧熱分解法よりも優れていると言える。しかしながら、この方法により得られる粉末は、非常に細かく、また、微粒子が凝集しているため、粉末とビヒクル（有機バインダー）を単に混合したペーストから多孔体厚膜を作製した場合、クラックが多数あり、厚膜の抵抗が大きくなるという問題があった。抵抗が大きくなると、抵抗を測るための測定回路が複雑となり好ましくない。また、クラックがひどい場合は、導電性がなく、酸素センサとして使えないという問題があり、また、クラックがあるため、厚膜が基板から剥離しやすいという問題もあった。
【０００６】
【特許文献１】
特開昭５５−１３７３３４号公報
【特許文献２】
特開昭６２−１７４６４４号公報
【特許文献３】
特開平０７−６３７１９号公報
【特許文献４】
特開２００２−２５５５１５号公報
【非特許文献１】
E. B. Varhegyi et al., Sensors and Actuator B, 18-19 (1994) 569
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記先行技術に鑑みて、それらにおける諸問題抜本的に解決するためになされたものであって、クラックの数が極めて少なく、酸素センサの酸素分圧検出部分として十分使用可能な、酸化セリウムあるいは酸化セリウムが主成分である酸化物の多孔体厚膜及びその製造方法を提供することを目的とするものである。また、本発明は、好適には、平均粒径が２００ｎｍ以下である多孔体厚膜を製造する方法を提供することを目的とするものである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するための、本発明は、以下の技術的手段から構成される。
（１）酸化セリウムを含む酸化物の微粒子の粉末を原料として、その酸化物を含むペーストを作製し、それをスクリーン印刷により基板上に印刷し、仮焼及び焼成することにより、抵抗型酸素センサの酸素分圧検出部分である多孔体厚膜を製造する方法であって、前記粉末の平均粒径を最終的に得られる厚膜の平均粒径未満の粒径に粒成長させるための熱処理工程と、粒成長させた粉末を溶媒と混合する工程と、凝集粒子を溶媒中で分散させる工程と、沈殿物を除去する工程と、溶媒を揮発させる工程と、有機バインダーを酸化物に混合してペーストとする工程とを含むことを特徴とする抵抗型酸素センサの酸素分圧検出部分である多孔体厚膜の製造方法。
（２）多孔体厚膜の平均粒径が大きくても２００ｎｍである前記（１）記載の多孔体厚膜の製造方法。
（３）熱処理工程により粒成長させた粉末の平均粒径が小さくても４５ｎｍである前記（１）記載の多孔体厚膜の製造方法。
（４）熱処理工程前の粉末の平均粒径が１０から４５ｎｍ未満である前記（１）記載の多孔体厚膜の製造方法。
（５）熱処理工程において、粉末を８８０℃から９２０℃で熱処理する前記（１）記載の多孔体厚膜の製造方法。
（６）ペーストに占める酸化物の重量比を１０から３０重量％に調整する前記（１）記載の多孔体厚膜の製造方法。
（７）酸化セリウムを含む酸化物の微粒子が、酸化セリウムと酸化ジルコニウムとを含む酸化物の微粒子である前記（１）記載の多孔体厚膜の製造方法。
（８）前記（１）から（７）のいずれかに記載の方法により製造された、クラックの少ない、平均粒径が２００ｎｍ以下で、８００℃における電気伝導度が１０-3Ｓ／ｍ以上である抵抗型酸素センサの酸素分圧検出部分である酸化セリウム系多孔体厚膜。
【０００９】
【発明の実施の形態】
次に、本発明について更に詳細に説明する。
本発明の製造方法のフローを図１に示す。本発明では、原料として、酸化セリウム、又は酸化セリウムを主成分とする酸化物が用いられる。酸化セリウムを主成分とする酸化物とは、具体的には、例えば、酸化ジルコニウム、酸化チタン、酸化ゲルマニウム、又は酸化ハフニウムなどを含む、酸化セリウムが主成分である酸化物であり、より好ましくは、酸化ジルコニウムを含む酸化セリウムを主成分とする酸化物である。酸化セリウムより副成分が多い場合、粉末の特性が酸化セリウムと大きく異なることとなるため、酸化セリウム濃度は４０ｍｏｌ％以下が好ましい。また、微粒子の粒径は、平均粒径が１０から２０ｎｍのものが好ましく、その粒径にばらつきがあるものでも良い。本発明の方法は、粒径が小さい（４０ｎｍ未満）、凝集が生じやすい微粒子からなる上記酸化物の粉末に好適に適用される。これら酸化物の微粒子の製造方法としては、例えば、沈殿法、共沈法、及び水熱合成法などが例示される。沈殿法や、共沈法では、水酸化物や水を含んだ沈殿物を空気中で加熱して、酸化物粉末を得ることができる。酸化セリウムの場合、６００℃の温度で加熱すれば、酸化物が得られる。従って、水酸化物や水を含んだ沈殿物を酸化物にするための熱処理工程と、本発明の粒成長のための熱処理工程を連続させることも可能である。
【００１０】
本発明では、まず初めに、最終的に得ようとする厚膜の平均粒径未満の粒径に粒成長させるために、前記粉末を熱処理工程で熱処理するが、これは、粒成長させないと、後に示す焼成工程後に、厚膜にクラックが入るためである（実施例１の比較例２を参照）。また、粒成長させる粒径を最終的に得ようとする厚膜の平均粒径未満にする理由は、最終の焼成工程において、粒径を小さくすることは不可能なためである。焼成温度は８００℃以上が好適であるが、これは、これより低いと、粒成長が生じないためである。更に、例えば、最終的に得られる厚膜の平均粒径を１００ｎｍにする場合には、焼成温度は８８０℃以上から９２０℃が好適である。それというのも、約９５０℃以上での焼成では、１００ｎｍを超える粒径にまで粒成長してしまうため（実施例２を参照）、最終的に得られる厚膜の平均粒径を１００ｎｍ以下にすることが不可能となるからである。
【００１１】
通常、粉末の熱処理温度は、スクリーン印刷後の焼成における焼成温度よりも低く設定する。従って、例えば、最終的に得られる厚膜の平均粒径を１００ｎｍにする場合、粒成長させる粒径が４５ｎｍ以上であれば十分である。後記する実施例１で示すように、粒成長させた粉末の平均粒径が４８ｎｍの場合、クラックが極めて少ない多孔体厚膜が得られている。従って、これより大きい粒径の場合でも、クラックのない多孔体厚膜が得られるのは自明であり、粒成長させる粒径が４５ｎｍ以上であればクラックが極めて少ない多孔体厚膜が得られる。次に、溶媒を原料の酸化物に加えるが、溶媒は、例えば、エタノール、トルエンなどの粘性の小さい揮発しやすい有機溶媒が好適である。それは、後の溶媒を減らす工程で容易に揮発するものの方が良いためである。次に、酸化物を溶媒中で超音波ホモジナイザーなどで処理して、凝集した粒子を分散させる。沈殿法や共沈法で得られる粉末は、微粒子が凝集しているという特徴を有する。凝集したままペーストにすると、最終的に得られる厚膜は、非常に凹凸のあるものとなり、電極などが付けにくくなる。また、凝集した粒子は、クラック発生の原因となる。従って、凝集した粒子を分散する必要がある。また、たとえ、熱処理前の粒子は凝集していなくても、上述の熱処理工程における熱処理により、粒子は凝集するため、必ずこの工程は必要である。
【００１２】
次に、酸化物を含んだ溶媒を、そのままの状態で放置し、例えば、３０から４０分ほど放置した後、沈殿物を除去する。沈殿物は凝集したままの粒子であり、これは、自重により沈殿してしまうので、分散した粒子と分離することができる。その後、上述の溶媒により処理を繰り返す場合もある。次に、加熱しながら、かつ、撹拌しながら、溶媒を揮発させる。その後、有機バインダーを加えるが、有機バインダーとしては、例えば、エチルセルロースとテルピネオールを混合したビヒクルなどが好適なものとして例示される。しかし、これらに限定されるものではない。有機バインダーは、所定の粘度を有する液体であり、これを入れることにより、スクリーン印刷可能な粘度のペーストとなる。この工程において、酸化物の重量％を所定の値に調整することにより、酸化物を含んだペーストが得られる。酸化物の重量％は、例えば、１０から３０重量％が好適である。これは、ペーストに占める酸化物の割合が大きい場合、混合が不均一になるためと考えられる。また、その割合が小さいと、バインダーの使用量が多くなるため、無駄が生じる。
【００１３】
次に、このペーストをスクリーン印刷により基板に印刷する。この場合、基板としては、絶縁体の材料のものが使われる。好適には、例えば、アルミナ、マグネシア、及び石英などが例示されるが、これに限定されるものではない。次に、これを３００から６００℃において、仮焼し、有機バインダーを除去する。仮焼の雰囲気としては、空気、及び酸素などの酸化雰囲気が好ましい。この工程は、次の焼成工程の昇温速度をゆっくりと設定した場合、省くことが可能である。次いで、最後に、これを１０００℃から１２００℃において、焼成し、抵抗型酸素センサの酸素分圧検出部分が得られる。焼成の雰囲気は、空気、酸素などの酸化雰囲気、あるいは、水素、一酸化炭素などの還元雰囲気のいずれでも良い。この焼成により、微粒子同士にネックが生じて、多孔体となり、導電性を有するものとなる。好適には、平均粒径は、５０〜２００ｎｍであり、より好ましくは、５０〜１００である。以上の製造方法により得られた多孔体厚膜は、クラックの数が極めて少なく、酸素センサの酸素分圧検出部分として十分使用可能な多孔体厚膜であり、具体的には、８００℃における電気伝導度が１０-3Ｓ／ｍ以上であり、優れた酸素分圧依存性を示し、応答速度にも優れている。
【００１４】
【作用】
前述の熱処理工程において、熱処理により、粉末の粒径を粒成長させるが、後述するように、粒成長させない場合、後の焼成段階において、粒成長が生じ、これに伴い体積収縮が生じる。このとき、応力を緩和する必要があり、これにより、厚膜にクラックが生じると考えられる。あるいは、粒径が小さいため、有機バインダーとの混合が不均一となり、微粒子が密なところと疎なところが生じるためと考えられる。いずれにしても、これらを防ぐために、予め粒成長させる必要がある。次に、上述の凝集粒子を分散させる工程で、溶媒中で凝集した粒子を分散させるが、微粒子の粒径が小さい場合、原料段階で、凝集のない粒子でも、熱処理工程で粒成長させるときに凝集が生じるため、この工程が必要となる。
【００１５】
この工程において、凝集されたままの粒子は、上述の沈殿物を除去する工程で沈殿物として除去できる。尚、粉砕などの機械的な手法で、凝集をほぐすことも考えられるが、酸化セリウムは研磨剤としても使用されるものであるので、機械的な粉砕の際に、不純物の混入が予想されるため、粉砕などの機械的な手法は使えない。上述のペーストを作製する工程において、酸化物の重量％が大きい場合、全体に占める酸化物の割合が大きいと、有機バインダーと酸化物の混合が不均一になり、クラックなどが生じやすくなる。また、重量％が小さいと、ペーストに占める酸化物の割合が小さく、多量のペーストが必要となり、無駄が生じる。そのため、酸化物の重量％は１０から３０重量％が好適である。
【００１６】
【実施例】
次に、実施例に基づいて本発明を具体的に説明するが、本発明は、以下の実施例によって何ら限定されるものではない。
実施例１
本実施例では、沈殿法により得られた酸化セリウム微粒子からなる粉末を原料として用いた。この沈殿法での粉末の作製方法を簡単に説明すると、まず、硝酸セリウム水溶液を作製する。次に、アンモニア水を加えると、沈殿物が生成する。その沈殿物とカーボンとを混合し、空気中において６００℃で４時間加熱して、粉末を得た。この粉末（熱処理工程前の原料）の走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）写真を図２及び図３に示す。原料の粒径は１０から２０ｎｍであり、凝集していた。次に、上記粉末を、予備処理工程として、空気中、９００℃で４時間の条件で熱処理した。この工程後の原料のＳＥＭ写真を図４に示す。粒成長が生じ、平均粒径は４８ｎｍであった。
【００１７】
次に、この原料１ｇに対して、溶媒となるエタノールを５０ｍｌの割合で加えた。次いで、超音波ホモジナイザーにより、１０分間分散させた。分散後、原料を含んだエタノールを４０分放置させ、放置後、凝集したままの沈殿物を除去した。原料を含んだエタノールの体積が５０ｍｌになるように、もう一度、エタノールを加え、更に、１０分間超音波ホモジナイザーにより分散させた。分散後、３０分放置させ、放置後、沈殿物を除去した。この段階で、除去された、凝集したままの沈殿物の重量は、初期に使用した原料１ｇに対し、０．３から０．５ｇの割合であった。
【００１８】
次に、酸化物を含んだエタノールを、スターラーで撹拌しながら、約６０℃に加熱し、エタノールを揮発させた。その後、有機バインダーである約３０００ｍＰａｓのビヒクルを加えた。ビヒクルとしてエチルセルロースとテルピネオールの混合物を使用した。ここでペーストに含まれる酸化物の重量％が、所定の酸化物重量％、すなわち１０、２０、３０、及び５０重量％になるように調整した。こうして酸化物と有機バインダーとの混合物からなるペーストが得られた。次に、このペーストをスクリーン印刷によりアルミナ基板上に印刷した。印刷後、１５０℃で乾燥させた。その後、先に印刷したところに、再度、スクリーン印刷を行い、乾燥させた。これを更に２回繰り返し、合計４回印刷した。
【００１９】
その後、印刷したものを空気中５００℃で５時間仮焼し、続いて、空気中１０５０℃で２時間焼成を行い、酸素分圧検出部分となる厚膜を得た。このようにして得られた厚膜のＳＥＭ写真を図５から図８に示す。図５、図６、図７、及び図８は、それぞれ、ペーストの酸化物重量％が５０、３０、２０、及び１０重量％であるペーストを用いて得られた厚膜のＳＥＭ写真である。図９に、図６の拡大図を示す。また、比較例１として、実施例１で用いた原料粉末を分散させずに、有機バインダーであるビヒクルに入れ、混合したペーストを印刷し、空気中５００℃で５時間仮焼し、続いて、空気中１１００、１０００℃で２時間焼成を行った。図１０に、１１００℃焼成したものを示す。
【００２０】
更に、比較例２として、実施例１で用いた原料粉末の熱処理工程を行わずに、エタノールを混合する工程以降を実施例１と同条件で行い厚膜を作製した。ただし、酸化物の重量％は１０、３０、及び５０重量％のペーストを使用した。図１１に、ペーストの酸化物重量％が３０重量％である厚膜のＳＥＭ写真を示す。比較例１の厚膜には、１１００、１０００℃いずれの温度で焼成しても図１０のように多数のクラックがあった。また、表面は粗く、凝集したままの粒子の塊のようなものが観察された。よって、比較例１のように、単に混合するだけで作製したペーストでは１０００℃から１１００℃で焼成した場合、多数クラックが生じることがわかった。また、比較例２の厚膜にも酸化物重量％いずれのものであっても、図１１に示したように、多数のクラックが生じた。また、多孔体厚膜が基板から剥がれやすかった。これは、センサとして使用する場合、耐久性がないことを意味する。
【００２１】
一方、実施例１の厚膜は、比較例１、及び比較例２と比べると、クラックが少なく、特に、酸化物重量％が１０から３０重量％はクラックの数が極めて少なかった。更に、２０重量％はクラックがない多孔体厚膜が得られた。また、図９に示したように、非常に多孔質な厚膜であった。また、平均粒径は９０ｎｍであった。図６と図９に示した多孔体厚膜を酸素分圧検出部分として抵抗型酸素センサを作製した。多孔体厚膜の上に、スパッタ法により櫛形の形状をした白金電極を設け、それに白金線を付け、２端子法により多孔体厚膜の抵抗をセンサの出力として測定した。酸素センサは、酸素分圧を変えることのできる、電気炉内の試料室に設置し、多孔体厚膜の抵抗や、酸素分圧依存性を調べた。また、応答時間を調べるために、全圧を高速に変化させることにより酸素分圧を高速に変化させることのできる、高速応答評価装置を用いた。センサ特性評価結果として、表１に、酸素分圧が１．０ａｔｍにおける、多孔体厚膜の抵抗Ｒと電気伝導度σを示す。このように、数十ｋΩから数十ＭΩの値を示し、導電性があることが示された。比較例２のようなクラックがある場合、導電性がなく、センサとして使用できなかった。また、導電性がわずかにあっても、電気抵抗が大きいので、抵抗を測定するための回路や装置が複雑となり、好ましくない。従って、できるだけクラックの少ない方が、酸素分圧検出部分としての多孔体厚膜として好ましい。
【００２２】
【表１】
【００２３】
次に、酸素分圧が０．０１０ａｔｍから１．０ａｔｍにおける酸素分圧依存性を表２に示す。この表のｎは式Ｒ∝Ｐ1/n 中のものであり、この値が小さいと酸素分圧依存性が大きいことを示す。ここで、Ｐは酸素分圧である。６００℃では、ｎが９．１であり、少し酸素分圧依存性が小さいが、その他の温度では、ｎは５．５から６．５であった。また、８００℃における応答時間（９０％応答）は２０ｍｓ以下であり、応答速度は速く、酸素センサとして十分使用できるものであった。
【００２４】
【表２】
【００２５】
実施例２
沈殿法により得られた酸化セリウム微粒子からなる粉末を原料として用いて、予備処理の熱処理温度を９５０℃とした場合の、粉末のＳＥＭ写真を図１２に示す。粒成長しており、１００ｎｍを超えていた。従って、最終的に得られる厚膜の平均粒径が１００ｎｍであるものを製造する場合、予備処理工程での焼成温度を９５０℃とすると、高すぎることがわかった。
【００２６】
実施例３
本実施例では、次の手順で粉末を作製した。まず、硝酸セリウム水溶液を作製した。次に、アンモニア水を加え、沈殿物を生成させた。その沈殿物とカーボンとを混合し、空気中において９００℃で４時間加熱して、粉末を得た。この熱処理工程では、水酸化物や水を含んだ沈殿物を酸化物にするための熱処理工程と、粒成長のための熱処理工程を連続させて行った。これをエタノールと混合して、これ以降は、実施例１と同様の方法で厚膜を作製した。ただし、ペーストに含まれる酸化物の重量％は２０重量％とした。このようにして作製した多孔体厚膜には、クラックがほとんど含まれず、水酸化物や水を含んだ沈殿物を酸化物にするための熱処理工程と、粒成長のための熱処理工程を連続させても、同じ結果が得られることがわかった。
【００２７】
実施例４
硝酸セリウム水溶液とオキシ硝酸ジルコニウム水溶液をＣｅ：Ｚｒ＝８：２の比で混合し、混合水溶液を得た。この混合水溶液にアンモニア水を加えて、共沈させた。次に、その沈澱物にカーボンを混合し、空気中において９００℃で４時間加熱することにより、水酸化物や水を含んだ沈澱物を酸化物にするための熱処理と、粒成長のための熱処理工程を連続させて行った。このようにして、酸化ジルコニウムが２０ｍｏｌ％含まれる酸化セリウムの粉末を得た。これをエタノールと混合して、これ以降は、実施例１と同様の方法で厚膜を作製した。ただし、ペーストに含まれる酸化物の重量％は１０、２０重量％とした。このようにして作製した酸化ジルコニウムを１０ｍｏｌ％含む酸化セリウム多孔体厚膜には、ＳＥＭ写真で確認したところ、クラックがほとんど含まれず、２０ｍｏｌ％でもクラックが少ないことが確認でき、本発明は、酸化ジルコニウムを含む酸化セリウムにも適用できることが確認できた。
【００２８】
【発明の効果】
以上詳述したように、本発明は、抵抗型酸素センサの酸素分圧検出部分の多孔体厚膜の製造方法に係るものであり、本発明により、１）大量生産可能な沈殿法により製造された酸化セリウムあるいは酸化セリウムを主成分とする酸化物の微粒子からなる粉末を原料として、クラックの極めて少ない、酸素センサの酸素分圧検出部分として十分使用可能な、平均粒径が２００ｎｍ以下である、酸化セリウムあるいは酸化セリウムが主成分である酸化物の多孔体厚膜を製造することが可能である、２）従来法では、粒径が小さい（４０ｎｍ未満）、凝集が生じやすい微粒子からなる粉末を原料として使用した場合、クラックの少ない多孔体厚膜を作製することはできなかったが、本発明の方法により、これらの原料を使用してもクラックの少ない多孔体厚膜を作製することが可能となった、３）この製造方法により得られる多孔体厚膜の平均粒径は２００ｎｍ以下であるので、応答速度の優れた抵抗酸素センサが得られる、という格別の効果が奏される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の方法のフローを示す。
【図２】実施例１における予備処理である熱処理工程前の沈殿法により得られた酸化セリウム微粒子からなる原料粉末の走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）写真を示す。
【図３】実施例１における予備処理である熱処理工程前の沈殿法により得られた酸化セリウム微粒子からなる原料粉末の低倍率のＳＥＭ写真を示す。
【図４】実施例１における予備処理である熱処理工程後の原料粉末のＳＥＭ写真を示す。
【図５】実施例１において、酸化物重量％が５０重量％であるペーストを用いて製造した厚膜のＳＥＭ写真を示す。
【図６】実施例１において、酸化物重量％が３０重量％であるペーストを用いて製造した厚膜のＳＥＭ写真を示す。
【図７】実施例１において、酸化物重量％が２０重量％であるペーストを用いて製造した厚膜のＳＥＭ写真を示す。
【図８】実施例１において、酸化物重量％が１０重量％であるペーストを用いて製造した厚膜のＳＥＭ写真を示す。
【図９】実施例１において、酸化物重量％が３０重量％であるペーストを用いて製造した厚膜の高倍率のＳＥＭ写真を示す。
【図１０】比較例１において、１１００℃の焼成により得られた厚膜のＳＥＭ写真を示す。
【図１１】比較例２において、酸化物重量％が３０重量％であるペーストを用いて製造した厚膜の高倍率のＳＥＭ写真を示す。
【図１２】実施例２において、沈殿法により得られた酸化セリウム微粒子からなる粉末を原料とし、予備処理温度を９５０℃とした場合の、粉末のＳＥＭ写真を示す。
【発明の属する技術分野】
本発明は、抵抗型酸素センサの酸素分圧検出部分に使用される多孔体厚膜の製造方法に関するものであり、更に詳しくは、排ガスの浄化率向上や燃費向上のために、自動車等の排ガスの空燃比を制御するための空燃比フィードバック制御システムに使われる酸素分圧を測定する酸素センサの酸素分圧検出部分である酸化セリウム系多孔体厚膜及びその製造方法に関するものである。ここで、空燃比とは、空気と燃料の比であり、酸素分圧と空燃比とは１対１の関係が成り立つ。
【０００２】
【従来の技術】
これまで、自動車用の酸素ガスセンサとしては、主として、固体電解質のものが用いられてきた（例えば、特許文献１参照）。このタイプのセンサは、基準極と測定極の酸素分圧の違いを起電力として測定するものであり、必ず基準極が必要であるため、構造が複雑であり、小型化が困難であるという問題点があった。このような問題点を克服するために、基準極を必要としない抵抗型酸素ガスセンサが開発されている（例えば、特許文献２参照）。この抵抗型酸素ガスセンサの測定原理を簡単に説明すると、まず、雰囲気の酸素分圧が変化したときに、酸化物半導体の酸素空孔濃度が変化する。酸化物半導体の抵抗率あるいは電気伝導度は、酸素空孔濃度と１対１の対応関係があり、酸素空孔濃度の変化に伴い、酸化物半導体の抵抗率が変化する。その抵抗率を測定することにより、雰囲気の酸素分圧を知ることができる。
【０００３】
しかし、この抵抗型酸素ガスセンサには、酸素分圧が変化したときの出力の応答性が劣るという問題点があった（例えば、特許文献３参照）。また、抵抗型酸素ガスセンサの酸化物半導体として、酸化チタニウムが使われてきたが、この材料には、耐久性や安定性に劣るという問題点があった。これらの問題点を克服するために、本発明者らは、酸化物半導体として、酸化セリウムを用いた抵抗型酸素ガスセンサの研究及び開発を行ってきたが、その理由は、酸化セリウムは、腐食ガス中において耐久性があるためである（非特許文献１参照）。本発明者らは、その研究開発の過程で、酸化セリウムを用いた抵抗型酸素センサにおいて、酸化セリウムの平均粒径を２００ｎｍまで小さくすることにより、また、酸化セリウムに酸化ジルコニウムを添加することにより、応答速度が改善されることを見出し、先に、特許出願をした。
【０００４】
これらの発明において、酸素分圧検出部分の形状としては、厚膜が好適であり、応答速度を良くするには、該厚膜の粒径を小さくする必要がある。その厚膜の製造方法は、次のとおりである。まず、酸化物の微粒子からなる粉末原料として、その原料を含むペーストを作製し、それをスクリーン印刷により塗布し、焼成することにより、抵抗型酸素センサの酸素分圧検出部分である多孔体厚膜を作製する。ここで、酸素センサは、作動温度が最高で１０００℃まで達する。従って、１０００℃以下の温度で、粒成長などが生じないように、スクリーン印刷されたものを、予め１０００℃を超える温度で焼成する必要がある。
【０００５】
これらの発明では、原料粉末を噴霧熱分解法で作製したが、この方法では、微粒子の特性として、凝集が生じにくく、また、その原料粉末の微粒子は、粒径が比較的大きい（約４０ｎｍ以上）ことから、これを用いてペーストを作製し、スクリーン印刷するだけで、クラックのきわめて少ない多孔体厚膜が得られた。しかし、噴霧熱分解法では、単位時間当たりの粉末の製造量が少ないという問題があった。一方、他の方法でも、酸化セリウムあるいは酸化セリウムを主成分とする酸化物の微粒子を得ることができる（特許文献４参照）。この方法は、主たる目的が非常に細かい微粒子を得るための手法であって、大量生産が可能な手法であり、工業的観点からは、噴霧熱分解法よりも優れていると言える。しかしながら、この方法により得られる粉末は、非常に細かく、また、微粒子が凝集しているため、粉末とビヒクル（有機バインダー）を単に混合したペーストから多孔体厚膜を作製した場合、クラックが多数あり、厚膜の抵抗が大きくなるという問題があった。抵抗が大きくなると、抵抗を測るための測定回路が複雑となり好ましくない。また、クラックがひどい場合は、導電性がなく、酸素センサとして使えないという問題があり、また、クラックがあるため、厚膜が基板から剥離しやすいという問題もあった。
【０００６】
【特許文献１】
特開昭５５−１３７３３４号公報
【特許文献２】
特開昭６２−１７４６４４号公報
【特許文献３】
特開平０７−６３７１９号公報
【特許文献４】
特開２００２−２５５５１５号公報
【非特許文献１】
E. B. Varhegyi et al., Sensors and Actuator B, 18-19 (1994) 569
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記先行技術に鑑みて、それらにおける諸問題抜本的に解決するためになされたものであって、クラックの数が極めて少なく、酸素センサの酸素分圧検出部分として十分使用可能な、酸化セリウムあるいは酸化セリウムが主成分である酸化物の多孔体厚膜及びその製造方法を提供することを目的とするものである。また、本発明は、好適には、平均粒径が２００ｎｍ以下である多孔体厚膜を製造する方法を提供することを目的とするものである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するための、本発明は、以下の技術的手段から構成される。
（１）酸化セリウムを含む酸化物の微粒子の粉末を原料として、その酸化物を含むペーストを作製し、それをスクリーン印刷により基板上に印刷し、仮焼及び焼成することにより、抵抗型酸素センサの酸素分圧検出部分である多孔体厚膜を製造する方法であって、前記粉末の平均粒径を最終的に得られる厚膜の平均粒径未満の粒径に粒成長させるための熱処理工程と、粒成長させた粉末を溶媒と混合する工程と、凝集粒子を溶媒中で分散させる工程と、沈殿物を除去する工程と、溶媒を揮発させる工程と、有機バインダーを酸化物に混合してペーストとする工程とを含むことを特徴とする抵抗型酸素センサの酸素分圧検出部分である多孔体厚膜の製造方法。
（２）多孔体厚膜の平均粒径が大きくても２００ｎｍである前記（１）記載の多孔体厚膜の製造方法。
（３）熱処理工程により粒成長させた粉末の平均粒径が小さくても４５ｎｍである前記（１）記載の多孔体厚膜の製造方法。
（４）熱処理工程前の粉末の平均粒径が１０から４５ｎｍ未満である前記（１）記載の多孔体厚膜の製造方法。
（５）熱処理工程において、粉末を８８０℃から９２０℃で熱処理する前記（１）記載の多孔体厚膜の製造方法。
（６）ペーストに占める酸化物の重量比を１０から３０重量％に調整する前記（１）記載の多孔体厚膜の製造方法。
（７）酸化セリウムを含む酸化物の微粒子が、酸化セリウムと酸化ジルコニウムとを含む酸化物の微粒子である前記（１）記載の多孔体厚膜の製造方法。
（８）前記（１）から（７）のいずれかに記載の方法により製造された、クラックの少ない、平均粒径が２００ｎｍ以下で、８００℃における電気伝導度が１０-3Ｓ／ｍ以上である抵抗型酸素センサの酸素分圧検出部分である酸化セリウム系多孔体厚膜。
【０００９】
【発明の実施の形態】
次に、本発明について更に詳細に説明する。
本発明の製造方法のフローを図１に示す。本発明では、原料として、酸化セリウム、又は酸化セリウムを主成分とする酸化物が用いられる。酸化セリウムを主成分とする酸化物とは、具体的には、例えば、酸化ジルコニウム、酸化チタン、酸化ゲルマニウム、又は酸化ハフニウムなどを含む、酸化セリウムが主成分である酸化物であり、より好ましくは、酸化ジルコニウムを含む酸化セリウムを主成分とする酸化物である。酸化セリウムより副成分が多い場合、粉末の特性が酸化セリウムと大きく異なることとなるため、酸化セリウム濃度は４０ｍｏｌ％以下が好ましい。また、微粒子の粒径は、平均粒径が１０から２０ｎｍのものが好ましく、その粒径にばらつきがあるものでも良い。本発明の方法は、粒径が小さい（４０ｎｍ未満）、凝集が生じやすい微粒子からなる上記酸化物の粉末に好適に適用される。これら酸化物の微粒子の製造方法としては、例えば、沈殿法、共沈法、及び水熱合成法などが例示される。沈殿法や、共沈法では、水酸化物や水を含んだ沈殿物を空気中で加熱して、酸化物粉末を得ることができる。酸化セリウムの場合、６００℃の温度で加熱すれば、酸化物が得られる。従って、水酸化物や水を含んだ沈殿物を酸化物にするための熱処理工程と、本発明の粒成長のための熱処理工程を連続させることも可能である。
【００１０】
本発明では、まず初めに、最終的に得ようとする厚膜の平均粒径未満の粒径に粒成長させるために、前記粉末を熱処理工程で熱処理するが、これは、粒成長させないと、後に示す焼成工程後に、厚膜にクラックが入るためである（実施例１の比較例２を参照）。また、粒成長させる粒径を最終的に得ようとする厚膜の平均粒径未満にする理由は、最終の焼成工程において、粒径を小さくすることは不可能なためである。焼成温度は８００℃以上が好適であるが、これは、これより低いと、粒成長が生じないためである。更に、例えば、最終的に得られる厚膜の平均粒径を１００ｎｍにする場合には、焼成温度は８８０℃以上から９２０℃が好適である。それというのも、約９５０℃以上での焼成では、１００ｎｍを超える粒径にまで粒成長してしまうため（実施例２を参照）、最終的に得られる厚膜の平均粒径を１００ｎｍ以下にすることが不可能となるからである。
【００１１】
通常、粉末の熱処理温度は、スクリーン印刷後の焼成における焼成温度よりも低く設定する。従って、例えば、最終的に得られる厚膜の平均粒径を１００ｎｍにする場合、粒成長させる粒径が４５ｎｍ以上であれば十分である。後記する実施例１で示すように、粒成長させた粉末の平均粒径が４８ｎｍの場合、クラックが極めて少ない多孔体厚膜が得られている。従って、これより大きい粒径の場合でも、クラックのない多孔体厚膜が得られるのは自明であり、粒成長させる粒径が４５ｎｍ以上であればクラックが極めて少ない多孔体厚膜が得られる。次に、溶媒を原料の酸化物に加えるが、溶媒は、例えば、エタノール、トルエンなどの粘性の小さい揮発しやすい有機溶媒が好適である。それは、後の溶媒を減らす工程で容易に揮発するものの方が良いためである。次に、酸化物を溶媒中で超音波ホモジナイザーなどで処理して、凝集した粒子を分散させる。沈殿法や共沈法で得られる粉末は、微粒子が凝集しているという特徴を有する。凝集したままペーストにすると、最終的に得られる厚膜は、非常に凹凸のあるものとなり、電極などが付けにくくなる。また、凝集した粒子は、クラック発生の原因となる。従って、凝集した粒子を分散する必要がある。また、たとえ、熱処理前の粒子は凝集していなくても、上述の熱処理工程における熱処理により、粒子は凝集するため、必ずこの工程は必要である。
【００１２】
次に、酸化物を含んだ溶媒を、そのままの状態で放置し、例えば、３０から４０分ほど放置した後、沈殿物を除去する。沈殿物は凝集したままの粒子であり、これは、自重により沈殿してしまうので、分散した粒子と分離することができる。その後、上述の溶媒により処理を繰り返す場合もある。次に、加熱しながら、かつ、撹拌しながら、溶媒を揮発させる。その後、有機バインダーを加えるが、有機バインダーとしては、例えば、エチルセルロースとテルピネオールを混合したビヒクルなどが好適なものとして例示される。しかし、これらに限定されるものではない。有機バインダーは、所定の粘度を有する液体であり、これを入れることにより、スクリーン印刷可能な粘度のペーストとなる。この工程において、酸化物の重量％を所定の値に調整することにより、酸化物を含んだペーストが得られる。酸化物の重量％は、例えば、１０から３０重量％が好適である。これは、ペーストに占める酸化物の割合が大きい場合、混合が不均一になるためと考えられる。また、その割合が小さいと、バインダーの使用量が多くなるため、無駄が生じる。
【００１３】
次に、このペーストをスクリーン印刷により基板に印刷する。この場合、基板としては、絶縁体の材料のものが使われる。好適には、例えば、アルミナ、マグネシア、及び石英などが例示されるが、これに限定されるものではない。次に、これを３００から６００℃において、仮焼し、有機バインダーを除去する。仮焼の雰囲気としては、空気、及び酸素などの酸化雰囲気が好ましい。この工程は、次の焼成工程の昇温速度をゆっくりと設定した場合、省くことが可能である。次いで、最後に、これを１０００℃から１２００℃において、焼成し、抵抗型酸素センサの酸素分圧検出部分が得られる。焼成の雰囲気は、空気、酸素などの酸化雰囲気、あるいは、水素、一酸化炭素などの還元雰囲気のいずれでも良い。この焼成により、微粒子同士にネックが生じて、多孔体となり、導電性を有するものとなる。好適には、平均粒径は、５０〜２００ｎｍであり、より好ましくは、５０〜１００である。以上の製造方法により得られた多孔体厚膜は、クラックの数が極めて少なく、酸素センサの酸素分圧検出部分として十分使用可能な多孔体厚膜であり、具体的には、８００℃における電気伝導度が１０-3Ｓ／ｍ以上であり、優れた酸素分圧依存性を示し、応答速度にも優れている。
【００１４】
【作用】
前述の熱処理工程において、熱処理により、粉末の粒径を粒成長させるが、後述するように、粒成長させない場合、後の焼成段階において、粒成長が生じ、これに伴い体積収縮が生じる。このとき、応力を緩和する必要があり、これにより、厚膜にクラックが生じると考えられる。あるいは、粒径が小さいため、有機バインダーとの混合が不均一となり、微粒子が密なところと疎なところが生じるためと考えられる。いずれにしても、これらを防ぐために、予め粒成長させる必要がある。次に、上述の凝集粒子を分散させる工程で、溶媒中で凝集した粒子を分散させるが、微粒子の粒径が小さい場合、原料段階で、凝集のない粒子でも、熱処理工程で粒成長させるときに凝集が生じるため、この工程が必要となる。
【００１５】
この工程において、凝集されたままの粒子は、上述の沈殿物を除去する工程で沈殿物として除去できる。尚、粉砕などの機械的な手法で、凝集をほぐすことも考えられるが、酸化セリウムは研磨剤としても使用されるものであるので、機械的な粉砕の際に、不純物の混入が予想されるため、粉砕などの機械的な手法は使えない。上述のペーストを作製する工程において、酸化物の重量％が大きい場合、全体に占める酸化物の割合が大きいと、有機バインダーと酸化物の混合が不均一になり、クラックなどが生じやすくなる。また、重量％が小さいと、ペーストに占める酸化物の割合が小さく、多量のペーストが必要となり、無駄が生じる。そのため、酸化物の重量％は１０から３０重量％が好適である。
【００１６】
【実施例】
次に、実施例に基づいて本発明を具体的に説明するが、本発明は、以下の実施例によって何ら限定されるものではない。
実施例１
本実施例では、沈殿法により得られた酸化セリウム微粒子からなる粉末を原料として用いた。この沈殿法での粉末の作製方法を簡単に説明すると、まず、硝酸セリウム水溶液を作製する。次に、アンモニア水を加えると、沈殿物が生成する。その沈殿物とカーボンとを混合し、空気中において６００℃で４時間加熱して、粉末を得た。この粉末（熱処理工程前の原料）の走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）写真を図２及び図３に示す。原料の粒径は１０から２０ｎｍであり、凝集していた。次に、上記粉末を、予備処理工程として、空気中、９００℃で４時間の条件で熱処理した。この工程後の原料のＳＥＭ写真を図４に示す。粒成長が生じ、平均粒径は４８ｎｍであった。
【００１７】
次に、この原料１ｇに対して、溶媒となるエタノールを５０ｍｌの割合で加えた。次いで、超音波ホモジナイザーにより、１０分間分散させた。分散後、原料を含んだエタノールを４０分放置させ、放置後、凝集したままの沈殿物を除去した。原料を含んだエタノールの体積が５０ｍｌになるように、もう一度、エタノールを加え、更に、１０分間超音波ホモジナイザーにより分散させた。分散後、３０分放置させ、放置後、沈殿物を除去した。この段階で、除去された、凝集したままの沈殿物の重量は、初期に使用した原料１ｇに対し、０．３から０．５ｇの割合であった。
【００１８】
次に、酸化物を含んだエタノールを、スターラーで撹拌しながら、約６０℃に加熱し、エタノールを揮発させた。その後、有機バインダーである約３０００ｍＰａｓのビヒクルを加えた。ビヒクルとしてエチルセルロースとテルピネオールの混合物を使用した。ここでペーストに含まれる酸化物の重量％が、所定の酸化物重量％、すなわち１０、２０、３０、及び５０重量％になるように調整した。こうして酸化物と有機バインダーとの混合物からなるペーストが得られた。次に、このペーストをスクリーン印刷によりアルミナ基板上に印刷した。印刷後、１５０℃で乾燥させた。その後、先に印刷したところに、再度、スクリーン印刷を行い、乾燥させた。これを更に２回繰り返し、合計４回印刷した。
【００１９】
その後、印刷したものを空気中５００℃で５時間仮焼し、続いて、空気中１０５０℃で２時間焼成を行い、酸素分圧検出部分となる厚膜を得た。このようにして得られた厚膜のＳＥＭ写真を図５から図８に示す。図５、図６、図７、及び図８は、それぞれ、ペーストの酸化物重量％が５０、３０、２０、及び１０重量％であるペーストを用いて得られた厚膜のＳＥＭ写真である。図９に、図６の拡大図を示す。また、比較例１として、実施例１で用いた原料粉末を分散させずに、有機バインダーであるビヒクルに入れ、混合したペーストを印刷し、空気中５００℃で５時間仮焼し、続いて、空気中１１００、１０００℃で２時間焼成を行った。図１０に、１１００℃焼成したものを示す。
【００２０】
更に、比較例２として、実施例１で用いた原料粉末の熱処理工程を行わずに、エタノールを混合する工程以降を実施例１と同条件で行い厚膜を作製した。ただし、酸化物の重量％は１０、３０、及び５０重量％のペーストを使用した。図１１に、ペーストの酸化物重量％が３０重量％である厚膜のＳＥＭ写真を示す。比較例１の厚膜には、１１００、１０００℃いずれの温度で焼成しても図１０のように多数のクラックがあった。また、表面は粗く、凝集したままの粒子の塊のようなものが観察された。よって、比較例１のように、単に混合するだけで作製したペーストでは１０００℃から１１００℃で焼成した場合、多数クラックが生じることがわかった。また、比較例２の厚膜にも酸化物重量％いずれのものであっても、図１１に示したように、多数のクラックが生じた。また、多孔体厚膜が基板から剥がれやすかった。これは、センサとして使用する場合、耐久性がないことを意味する。
【００２１】
一方、実施例１の厚膜は、比較例１、及び比較例２と比べると、クラックが少なく、特に、酸化物重量％が１０から３０重量％はクラックの数が極めて少なかった。更に、２０重量％はクラックがない多孔体厚膜が得られた。また、図９に示したように、非常に多孔質な厚膜であった。また、平均粒径は９０ｎｍであった。図６と図９に示した多孔体厚膜を酸素分圧検出部分として抵抗型酸素センサを作製した。多孔体厚膜の上に、スパッタ法により櫛形の形状をした白金電極を設け、それに白金線を付け、２端子法により多孔体厚膜の抵抗をセンサの出力として測定した。酸素センサは、酸素分圧を変えることのできる、電気炉内の試料室に設置し、多孔体厚膜の抵抗や、酸素分圧依存性を調べた。また、応答時間を調べるために、全圧を高速に変化させることにより酸素分圧を高速に変化させることのできる、高速応答評価装置を用いた。センサ特性評価結果として、表１に、酸素分圧が１．０ａｔｍにおける、多孔体厚膜の抵抗Ｒと電気伝導度σを示す。このように、数十ｋΩから数十ＭΩの値を示し、導電性があることが示された。比較例２のようなクラックがある場合、導電性がなく、センサとして使用できなかった。また、導電性がわずかにあっても、電気抵抗が大きいので、抵抗を測定するための回路や装置が複雑となり、好ましくない。従って、できるだけクラックの少ない方が、酸素分圧検出部分としての多孔体厚膜として好ましい。
【００２２】
【表１】
次に、酸素分圧が０．０１０ａｔｍから１．０ａｔｍにおける酸素分圧依存性を表２に示す。この表のｎは式Ｒ∝Ｐ1/n 中のものであり、この値が小さいと酸素分圧依存性が大きいことを示す。ここで、Ｐは酸素分圧である。６００℃では、ｎが９．１であり、少し酸素分圧依存性が小さいが、その他の温度では、ｎは５．５から６．５であった。また、８００℃における応答時間（９０％応答）は２０ｍｓ以下であり、応答速度は速く、酸素センサとして十分使用できるものであった。
【００２４】
【表２】
実施例２
沈殿法により得られた酸化セリウム微粒子からなる粉末を原料として用いて、予備処理の熱処理温度を９５０℃とした場合の、粉末のＳＥＭ写真を図１２に示す。粒成長しており、１００ｎｍを超えていた。従って、最終的に得られる厚膜の平均粒径が１００ｎｍであるものを製造する場合、予備処理工程での焼成温度を９５０℃とすると、高すぎることがわかった。
【００２６】
実施例３
本実施例では、次の手順で粉末を作製した。まず、硝酸セリウム水溶液を作製した。次に、アンモニア水を加え、沈殿物を生成させた。その沈殿物とカーボンとを混合し、空気中において９００℃で４時間加熱して、粉末を得た。この熱処理工程では、水酸化物や水を含んだ沈殿物を酸化物にするための熱処理工程と、粒成長のための熱処理工程を連続させて行った。これをエタノールと混合して、これ以降は、実施例１と同様の方法で厚膜を作製した。ただし、ペーストに含まれる酸化物の重量％は２０重量％とした。このようにして作製した多孔体厚膜には、クラックがほとんど含まれず、水酸化物や水を含んだ沈殿物を酸化物にするための熱処理工程と、粒成長のための熱処理工程を連続させても、同じ結果が得られることがわかった。
【００２７】
実施例４
硝酸セリウム水溶液とオキシ硝酸ジルコニウム水溶液をＣｅ：Ｚｒ＝８：２の比で混合し、混合水溶液を得た。この混合水溶液にアンモニア水を加えて、共沈させた。次に、その沈澱物にカーボンを混合し、空気中において９００℃で４時間加熱することにより、水酸化物や水を含んだ沈澱物を酸化物にするための熱処理と、粒成長のための熱処理工程を連続させて行った。このようにして、酸化ジルコニウムが２０ｍｏｌ％含まれる酸化セリウムの粉末を得た。これをエタノールと混合して、これ以降は、実施例１と同様の方法で厚膜を作製した。ただし、ペーストに含まれる酸化物の重量％は１０、２０重量％とした。このようにして作製した酸化ジルコニウムを１０ｍｏｌ％含む酸化セリウム多孔体厚膜には、ＳＥＭ写真で確認したところ、クラックがほとんど含まれず、２０ｍｏｌ％でもクラックが少ないことが確認でき、本発明は、酸化ジルコニウムを含む酸化セリウムにも適用できることが確認できた。
【００２８】
【発明の効果】
以上詳述したように、本発明は、抵抗型酸素センサの酸素分圧検出部分の多孔体厚膜の製造方法に係るものであり、本発明により、１）大量生産可能な沈殿法により製造された酸化セリウムあるいは酸化セリウムを主成分とする酸化物の微粒子からなる粉末を原料として、クラックの極めて少ない、酸素センサの酸素分圧検出部分として十分使用可能な、平均粒径が２００ｎｍ以下である、酸化セリウムあるいは酸化セリウムが主成分である酸化物の多孔体厚膜を製造することが可能である、２）従来法では、粒径が小さい（４０ｎｍ未満）、凝集が生じやすい微粒子からなる粉末を原料として使用した場合、クラックの少ない多孔体厚膜を作製することはできなかったが、本発明の方法により、これらの原料を使用してもクラックの少ない多孔体厚膜を作製することが可能となった、３）この製造方法により得られる多孔体厚膜の平均粒径は２００ｎｍ以下であるので、応答速度の優れた抵抗酸素センサが得られる、という格別の効果が奏される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の方法のフローを示す。
【図２】実施例１における予備処理である熱処理工程前の沈殿法により得られた酸化セリウム微粒子からなる原料粉末の走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）写真を示す。
【図３】実施例１における予備処理である熱処理工程前の沈殿法により得られた酸化セリウム微粒子からなる原料粉末の低倍率のＳＥＭ写真を示す。
【図４】実施例１における予備処理である熱処理工程後の原料粉末のＳＥＭ写真を示す。
【図５】実施例１において、酸化物重量％が５０重量％であるペーストを用いて製造した厚膜のＳＥＭ写真を示す。
【図６】実施例１において、酸化物重量％が３０重量％であるペーストを用いて製造した厚膜のＳＥＭ写真を示す。
【図７】実施例１において、酸化物重量％が２０重量％であるペーストを用いて製造した厚膜のＳＥＭ写真を示す。
【図８】実施例１において、酸化物重量％が１０重量％であるペーストを用いて製造した厚膜のＳＥＭ写真を示す。
【図９】実施例１において、酸化物重量％が３０重量％であるペーストを用いて製造した厚膜の高倍率のＳＥＭ写真を示す。
【図１０】比較例１において、１１００℃の焼成により得られた厚膜のＳＥＭ写真を示す。
【図１１】比較例２において、酸化物重量％が３０重量％であるペーストを用いて製造した厚膜の高倍率のＳＥＭ写真を示す。
【図１２】実施例２において、沈殿法により得られた酸化セリウム微粒子からなる粉末を原料とし、予備処理温度を９５０℃とした場合の、粉末のＳＥＭ写真を示す。
Claims (8)
- 酸化セリウムを含む酸化物の微粒子の粉末を原料として、その酸化物を含むペーストを作製し、それをスクリーン印刷により基板上に印刷し、仮焼及び焼成することにより、抵抗型酸素センサの酸素分圧検出部分である多孔体厚膜を製造する方法であって、前記粉末の平均粒径を最終的に得られる厚膜の平均粒径未満の粒径に粒成長させるための熱処理工程と、粒成長させた粉末を溶媒と混合する工程と、凝集粒子を溶媒中で分散させる工程と、沈殿物を除去する工程と、溶媒を揮発させる工程と、有機バインダーを酸化物に混合してペーストとする工程とを含むことを特徴とする抵抗型酸素センサの酸素分圧検出部分である多孔体厚膜の製造方法。
- 多孔体厚膜の平均粒径が大きくても２００ｎｍである請求項１記載の多孔体厚膜の製造方法。
- 熱処理工程により粒成長させた粉末の平均粒径が小さくても４５ｎｍである請求項１記載の多孔体厚膜の製造方法。
- 熱処理工程前の粉末の平均粒径が１０から４５ｎｍ未満である請求項１記載の多孔体厚膜の製造方法。
- 熱処理工程において、粉末を８８０℃から９２０℃で熱処理する請求項１記載の多孔体厚膜の製造方法。
- ペーストに占める酸化物の重量比を１０から３０重量％に調整する請求項１記載の多孔体厚膜の製造方法。
- 酸化セリウムを含む酸化物の微粒子が、酸化セリウムと酸化ジルコニウムとを含む酸化物の微粒子である請求項１記載の多孔体厚膜の製造方法。
- 請求項１から７のいずれかに記載の方法により製造された、クラックの少ない、平均粒径が２００ｎｍ以下で、８００℃における電気伝導度が１０-3Ｓ／ｍ以上である抵抗型酸素センサの酸素分圧検出部分である酸化セリウム系多孔体厚膜。
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