JP5965564B1 - Ammonia gas sensor and ammonia gas concentration measurement method - Google Patents
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Abstract
【課題】アンモニアガスの検知を好適に行え、かつ耐久性の優れたガスセンサを提供する。【解決手段】混成電位型ガスセンサが、酸素イオン伝導性固体電解質を構成材料とするセンサ素子と素子内部に備わるヒータとを備え、センサ素子が、PtとAuと酸素イオン伝導性を有する固体電解質とのサーメットからなる検知電極を表面に備えるとともに、Ptと酸素イオン伝導性固体電解質とのサーメットからなる基準電極と、少なくとも検知電極を被覆する多孔質の電極保護層と、を備え、検知電極を構成する貴金属粒子の表面におけるPt露出部分に対するAu被覆部分の面積比率であるAu存在比が0.4以上であり、電極保護層の気孔率が5〜40%であり、センサ素子が被測定ガス中に配置され、かつヒータによって400℃〜800℃の素子制御温度に加熱されたときの、検知電極と基準電極との間に生じる電位差に基づいて、アンモニアガス濃度を求める、ようにした。【選択図】図4A gas sensor capable of suitably detecting ammonia gas and having excellent durability is provided. A mixed potential gas sensor includes a sensor element including an oxygen ion conductive solid electrolyte as a constituent material and a heater provided in the element, and the sensor element includes Pt, Au, and a solid electrolyte having oxygen ion conductivity. And a reference electrode comprising a cermet of Pt and an oxygen ion conductive solid electrolyte, and a porous electrode protective layer covering at least the detection electrode, and constituting a detection electrode The Au abundance ratio, which is the area ratio of the Au coating portion to the Pt exposed portion on the surface of the precious metal particles to be performed, is 0.4 or more, the porosity of the electrode protective layer is 5 to 40%, and the sensor element is in the gas to be measured And a potential difference generated between the detection electrode and the reference electrode when heated to an element control temperature of 400 ° C. to 800 ° C. by a heater. There are, determining the ammonia gas concentration and manner. [Selection] Figure 4
Description
本発明は、アンモニアガスを検知するガスセンサに関する。 The present invention relates to a gas sensor that detects ammonia gas.
被測定ガス中の所定ガス成分を検知してその濃度を求めるガスセンサには、半導体型、接触燃焼型、酸素濃度差検知型、限界電流型、混成電位型など、種々の方式のものがある。そのなかには、ジルコニアなどの固体電解質たるセラミックスを主たる構成材料としたセンサ素子を用いるものがある。 There are various types of gas sensors, such as a semiconductor type, a catalytic combustion type, an oxygen concentration difference detection type, a limiting current type, and a mixed potential type, for detecting the concentration of a predetermined gas component in the gas to be measured and obtaining its concentration. Among them, there is one that uses a sensor element whose main constituent material is ceramic that is a solid electrolyte such as zirconia.
このうち、アンモニアガスを検知対象成分とする混成電位型のガスセンサは、検知電極の材料に金属酸化物を用いるもの(例えば特許文献1参照)と、金と金属酸化物との複合酸化物を用いるもの(例えば特許文献2参照)と、貴金属を用いるもの(例えば特許文献3および特許文献4参照)に大別される。
Among these, the mixed potential type gas sensor using ammonia gas as a detection target component uses a metal oxide as a material of the detection electrode (see, for example, Patent Document 1) and a composite oxide of gold and metal oxide. There are broadly divided into those using noble metals (see, for example,
また、混成電位を用いないアンモニアガスセンサとして、感応部のインピーダンスを測定することによりアンモニアガスを検知するものもすでに公知である(例えば、特許文献5参照)。 Further, as an ammonia gas sensor that does not use a mixed potential, one that detects ammonia gas by measuring the impedance of a sensitive part is already known (for example, see Patent Document 5).
例えば自動車のエンジンなどの内燃機関からの排ガス中に含まれる微量(例えば100ppm以下)のアンモニアガスを、確実に検知したいというニーズが存在する。ただし、係るニーズに応えるためのガスセンサのセンサ素子は、高温の排ガス雰囲気に絶えず曝される一方で、必ずしも交換容易に配置されるものでもないため、耐久性(長期信頼性)を有することが望ましい。 For example, there is a need to reliably detect a small amount (for example, 100 ppm or less) of ammonia gas contained in exhaust gas from an internal combustion engine such as an automobile engine. However, it is desirable that the sensor element of the gas sensor to meet such needs is durable (long-term reliability) because it is constantly exposed to a high-temperature exhaust gas atmosphere and is not necessarily easily replaced. .
特許文献1に開示されているアンモニアガスセンサのように、検知電極を金属酸化物にて構成するアンモニアガスセンサは、数多く研究されているが、いずれも電極の耐久性(密着性、安定性)の観点から自動車排気環境に耐えないという問題点がある。
Many ammonia gas sensors in which the detection electrode is made of a metal oxide, such as the ammonia gas sensor disclosed in
特許文献2に開示されているアンモニアガスセンサは、被検出ガス中のH2Oによる感度変動が少ないとされているが、検知電極に複合酸化物を用いているために、耐久性に問題がある。また、係る複合酸化物の主たる構成材料としてあげられているAu(金)とBiVO4の融点がそれぞれ1064℃、947℃であるため、高温のガスを測定対象とする自動車排ガス用途には不向きであるという問題もある。
The ammonia gas sensor disclosed in
特許文献3に開示されているガスセンサは、検知電極を貴金属にて構成してなり、アンモニアガスが良好な感度で測定可能とされてなる混成電位型のガスセンサであるが、第1の電極と第2の電極とが程度の差はあれともに触媒活性を有することを前提として、ガス成分濃度を求めるものとなっている。
The gas sensor disclosed in
具体的には、第1の電極は、センサ素子に対するPt−Auペーストの塗布の後、センサ素子を構成する固体電解質との一体焼成(共焼成)により形成されてなるものであって、「著しく触媒作用を示す」ものとされているのに対し、第2の電極は、センサ素子に対するPtペーストの塗布および固体電解質との共焼成を行った後、Auめっきが施されてなる2層構成を有するものであって、「僅かな触媒活性」を示すものとされている。第2の電極において実際に電気化学反応に寄与するのはAuめっきの部分であると思料されることから、第2の電極は合金電極ではなく、少なくとも電気化学反応に寄与する部分についていえば実質的にAu組成比が100%の電極つまりはAu電極であるといえる。 Specifically, the first electrode is formed by integral firing (co-firing) with a solid electrolyte constituting the sensor element after application of the Pt—Au paste to the sensor element. The second electrode has a two-layer structure in which Au plating is performed after the Pt paste is applied to the sensor element and co-fired with the solid electrolyte. And has a “slight catalytic activity”. In the second electrode, it is thought that it is the Au plating part that actually contributes to the electrochemical reaction. Therefore, the second electrode is not an alloy electrode, but at least the part that contributes to the electrochemical reaction is substantially In particular, it can be said that the electrode has an Au composition ratio of 100%, that is, an Au electrode.
また、特許文献4に開示されているガスセンサは、検知電極の貴金属成分としてAuを採用したものであるが、検知電極の形成は、焼成後の固体電解質体にペーストを塗布した後、焼成することによる、いわゆる2次焼成にてなされている。そして、アンモニアガスの選択性を確保するべく、金属酸化物からなる選択反応層が、検知電極の上に設けられてなる。
The gas sensor disclosed in
Auは融点が低いため、蒸気圧が高く、また、単体では固体電解質体との共焼成が行えない。それゆえ、特許文献3および特許文献4に開示された技術においては、めっきや2次焼成によってAu電極が形成されているが、これらの態様においてはいずれも、ガスセンサの使用時に、高温状態となっているセンサ素子からAuの脱離が生じる可能性があるため、長期信頼性に問題がある。
Since Au has a low melting point, it has a high vapor pressure, and single substance cannot be co-fired with a solid electrolyte body. Therefore, in the techniques disclosed in
Au電極を安定的に使用するためには、Ptと合金化することで融点を上げ、固体電解質体と共焼成することが効果的であるが、電極中のPt量が多すぎると、Ptの触媒活性によってアンモニアが燃焼してしまうという問題もある。 In order to use the Au electrode stably, it is effective to raise the melting point by alloying with Pt and co-fire with the solid electrolyte body. However, if the amount of Pt in the electrode is too large, There is also a problem that ammonia burns due to catalytic activity.
本発明の発明者は、鋭意検討の結果、ガスセンサの検知電極の金属成分を、表面におけるAu存在比を高めたPt−Au合金とすることで、検知電極を固体電解質体との共焼成を可能としつつ、アンモニアガスに対する触媒活性を不能化し、アンモニアガス濃度と相関のある混成電位を発現させることができるという知見を得た。そして、係る知見に基づけば、アンモニアガスを感度よく検知可能で、かつ耐久性の確保された混成電位型のガスセンサが実現されるものと思い至った。 As a result of intensive studies, the inventor of the present invention can co-fire the detection electrode with the solid electrolyte body by using a metal component of the detection electrode of the gas sensor as a Pt—Au alloy with an increased Au abundance ratio on the surface. In addition, the present inventors have found that it is possible to disable the catalytic activity for ammonia gas and develop a hybrid potential correlated with the ammonia gas concentration. Based on such knowledge, it has been thought that a mixed potential gas sensor capable of detecting ammonia gas with high sensitivity and ensuring durability can be realized.
一方で、アンモニアガスの検出感度を確保するには、他のガスの干渉、特に炭化水素や、特許文献2においても課題とされているH2Oの影響を低減することが重要である。
On the other hand, in order to ensure the detection sensitivity of ammonia gas, it is important to reduce the interference of other gases, particularly the influence of hydrocarbons and H 2 O, which is also a problem in
本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、アンモニアガスの検知を好適に行えるとともに、耐久性の優れたガスセンサを提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above problems, and an object of the present invention is to provide a gas sensor that can suitably detect ammonia gas and has excellent durability.
上記課題を解決するため、本発明の第1の態様は、被測定ガス中のアンモニアガスを検知するための混成電位型のガスセンサであって、酸素イオン伝導性の固体電解質を構成材料とするセンサ素子と、前記センサ素子の内部に備わり、前記センサ素子を加熱するヒータと、を備え、前記センサ素子が、貴金属と酸素イオン伝導性を有する固体電解質とのサーメットからなる検知電極を表面に備えるとともに、Ptと酸素イオン伝導性を有する固体電解質とのサーメットからなる基準電極と、少なくとも前記検知電極を被覆する多孔質層である電極保護層と、を備え、前記貴金属がPtとAuであり、前記検知電極を構成する貴金属粒子の表面のうち前記Ptが露出している部分に対する前記Auが被覆している部分の面積比率であるAu存在比が0.4以上であり、前記電極保護層の気孔率が5%以上40%以下であり、前記センサ素子が前記被測定ガス中に配置され、かつ前記ヒータによって400℃以上800℃以下の素子制御温度に加熱されたときの、前記検知電極と前記基準電極との間に生じる電位差に基づいて、前記アンモニアガスの濃度を求める、ことを特徴とする。 In order to solve the above problems, a first aspect of the present invention is a mixed potential type gas sensor for detecting ammonia gas in a gas to be measured, the sensor comprising an oxygen ion conductive solid electrolyte as a constituent material. And a heater for heating the sensor element, the sensor element having a detection electrode made of a cermet of a noble metal and a solid electrolyte having oxygen ion conductivity on the surface. A reference electrode composed of a cermet of Pt and a solid electrolyte having oxygen ion conductivity, and an electrode protective layer that is a porous layer covering at least the detection electrode, wherein the noble metal is Pt and Au, The presence of Au, which is the area ratio of the portion covered with Au to the portion where the Pt is exposed in the surface of the noble metal particles constituting the detection electrode 0.4 or more, the porosity of the electrode protective layer is 5% or more and 40% or less, the sensor element is disposed in the gas to be measured, and the element having a temperature of 400 ° C. or more and 800 ° C. or less by the heater The concentration of the ammonia gas is obtained based on a potential difference generated between the detection electrode and the reference electrode when heated to a control temperature.
本発明の第2の態様は、第1の態様に係るアンモニアガスセンサであって、前記素子制御温度が450℃以上700℃未満である、ことを特徴とする。 A second aspect of the present invention is an ammonia gas sensor according to the first aspect, wherein the element control temperature is 450 ° C. or higher and lower than 700 ° C.
本発明の第3の態様は、第2の態様に係るアンモニアガスセンサであって、前記素子制御温度が450℃以上650℃以下である、ことを特徴とする。 A third aspect of the present invention is the ammonia gas sensor according to the second aspect, wherein the element control temperature is 450 ° C. or higher and 650 ° C. or lower.
本発明の第4の態様は、被測定ガス中のアンモニアガスを検知するための混成電位型のガスセンサであって、酸素イオン伝導性の固体電解質を構成材料とするセンサ素子と、前記センサ素子の内部に備わり、前記センサ素子を加熱するヒータと、を備え、前記センサ素子が、貴金属と酸素イオン伝導性を有する固体電解質とのサーメットからなる検知電極を表面に備えるとともに、Ptと酸素イオン伝導性を有する固体電解質とのサーメットからなる基準電極、を備え、前記貴金属がPtとAuであり、前記検知電極を構成する貴金属粒子の表面のうち前記Ptが露出している部分に対する前記Auが被覆している部分の面積比率であるAu存在比が0.4以上であり、前記センサ素子が前記被測定ガス中に配置され、かつ前記ヒータによって450℃以上700℃未満の素子制御温度に加熱されたときの、前記検知電極と前記基準電極との間に生じる電位差に基づいて、前記アンモニアガスの濃度を求める、ことを特徴とする。 According to a fourth aspect of the present invention, there is provided a mixed potential gas sensor for detecting ammonia gas in a gas to be measured, the sensor element comprising an oxygen ion conductive solid electrolyte, and the sensor element A heater for heating the sensor element, the sensor element having a detection electrode made of a cermet of a noble metal and a solid electrolyte having oxygen ion conductivity on the surface, and Pt and oxygen ion conductivity A reference electrode composed of a cermet with a solid electrolyte having a noble metal, wherein the noble metal is Pt and Au, and the Au is coated on a portion of the surface of the noble metal particle constituting the detection electrode where the Pt is exposed. The abundance ratio of Au, which is the area ratio of the portion that is present, is 0.4 or more, the sensor element is disposed in the gas to be measured, and is heated by the heater. When heated to element control temperature of less than 450 ° C. or higher 700 ° C., based on the potential difference between the reference electrode and the sensing electrode to determine the concentration of the ammonia gas, characterized in that.
本発明の第5の態様は、第4の態様に係るアンモニアガスセンサであって、前記素子制御温度が450℃以上650℃以下である、ことを特徴とする。 A fifth aspect of the present invention is the ammonia gas sensor according to the fourth aspect, wherein the element control temperature is 450 ° C. or higher and 650 ° C. or lower.
本発明の第6の態様は、第1ないし第5の態様のいずれかに係るアンモニアガスセンサであって、前記センサ素子が、前記被測定ガスが存在する空間と隔絶されており、基準ガスが導入される基準ガス導入空間、をさらに備え、前記基準電極が前記基準ガスの雰囲気下に配置されている、ことを特徴とする。 A sixth aspect of the present invention is an ammonia gas sensor according to any of the first to fifth aspects, wherein the sensor element is isolated from a space in which the gas to be measured exists, and a reference gas is introduced. A reference gas introduction space, wherein the reference electrode is arranged in an atmosphere of the reference gas.
本発明の第7の態様は、第6の態様に係るアンモニアガスセンサであって、前記センサ素子が、前記基準ガス導入空間に連通する多孔質層である基準ガス導入層、をさらに備え、前記基準電極が前記基準ガス導入層に被覆されている、ことを特徴とする。 A seventh aspect of the present invention is the ammonia gas sensor according to the sixth aspect, wherein the sensor element further comprises a reference gas introduction layer that is a porous layer communicating with the reference gas introduction space, An electrode is covered with the reference gas introduction layer.
本発明の第8の態様は、第6の態様に係るアンモニアガスセンサであって、前記基準電極が前記基準ガス導入空間に露出させて配置されている、ことを特徴とする。 An eighth aspect of the present invention is the ammonia gas sensor according to the sixth aspect, characterized in that the reference electrode is disposed so as to be exposed to the reference gas introduction space.
本発明の第9の態様は、第1ないし第5の態様のいずれかに係るアンモニアガスセンサであって、前記検知電極と前記基準電極とが前記センサ素子の表面に配置されている、ことを特徴とする。 A ninth aspect of the present invention is the ammonia gas sensor according to any one of the first to fifth aspects, wherein the detection electrode and the reference electrode are disposed on a surface of the sensor element. And
本発明の第10の態様は、第9の態様に係るアンモニアガスセンサであって、前記検知電極と前記基準電極とが電極保護層に被覆されている、ことを特徴とする。 A tenth aspect of the present invention is the ammonia gas sensor according to the ninth aspect, characterized in that the detection electrode and the reference electrode are covered with an electrode protective layer.
本発明の第11の態様は、混成電位型のガスセンサを用いて被測定ガス中のアンモニアガスの濃度を測定する方法であって、前記ガスセンサが、酸素イオン伝導性の固体電解質を構成材料とするセンサ素子と、前記センサ素子の内部に備わり、前記センサ素子を加熱するヒータと、を備え、前記センサ素子が、貴金属と酸素イオン伝導性を有する固体電解質とのサーメットからなる検知電極を表面に備えるとともに、Ptと酸素イオン伝導性を有する固体電解質とのサーメットからなる基準電極と、少なくとも前記検知電極を被覆する多孔質層である電極保護層と、を備えるものであり、前記貴金属がPtとAuであり、前記検知電極を構成する貴金属粒子の表面のうち前記Ptが露出している部分に対する前記Auが被覆している部分の面積比率であるAu存在比が0.4以上であり、前記電極保護層の気孔率が5%以上40%以下であり、前記センサ素子を前記被測定ガス中に配置し、かつ前記ヒータによって前記センサ素子を400℃以上800℃以下の素子制御温度に加熱した状態で、前記検知電極と前記基準電極との間に生じる電位差に基づいて、前記アンモニアガスの濃度を求める、ことを特徴とする。 An eleventh aspect of the present invention is a method for measuring the concentration of ammonia gas in a gas to be measured using a mixed potential type gas sensor, wherein the gas sensor comprises a solid electrolyte having oxygen ion conductivity. A sensor element; and a heater provided inside the sensor element for heating the sensor element, the sensor element having a detection electrode made of a cermet of a noble metal and a solid electrolyte having oxygen ion conductivity on the surface. And a reference electrode composed of a cermet of Pt and a solid electrolyte having oxygen ion conductivity, and an electrode protective layer that is a porous layer covering at least the detection electrode, wherein the noble metal is Pt and Au. The surface of the surface covered with the Au with respect to the portion where the Pt is exposed in the surface of the noble metal particle constituting the detection electrode The Au abundance ratio as a ratio is 0.4 or more, the porosity of the electrode protective layer is 5% or more and 40% or less, the sensor element is disposed in the gas to be measured, and the sensor is provided by the heater. The ammonia gas concentration is obtained based on a potential difference generated between the detection electrode and the reference electrode while the element is heated to an element control temperature of 400 ° C. or higher and 800 ° C. or lower.
本発明の第12の態様は、第11の態様に係るアンモニアガスの濃度測定方法であって、前記素子制御温度を450℃以上700℃未満とする、ことを特徴とする。 A twelfth aspect of the present invention is the ammonia gas concentration measurement method according to the eleventh aspect, wherein the element control temperature is set to 450 ° C. or higher and lower than 700 ° C.
本発明の第13の態様は、第12の態様に係るアンモニアガスの濃度測定方法であって、前記素子制御温度を450℃以上650℃以下とする、ことを特徴とする。 A thirteenth aspect of the present invention is an ammonia gas concentration measurement method according to the twelfth aspect, wherein the element control temperature is 450 ° C. or higher and 650 ° C. or lower.
本発明の第14の態様は、混成電位型のガスセンサを用いて被測定ガス中のアンモニアガスの濃度を測定する方法であって、前記ガスセンサが、酸素イオン伝導性の固体電解質を構成材料とするセンサ素子と、前記センサ素子の内部に備わり、前記センサ素子を加熱するヒータと、を備え、前記センサ素子が、貴金属と酸素イオン伝導性を有する固体電解質とのサーメットからなる検知電極を表面に備えるとともに、Ptと酸素イオン伝導性を有する固体電解質とのサーメットからなる基準電極、を備えるものであり、前記貴金属がPtとAuであり、前記検知電極を構成する貴金属粒子の表面のうち前記Ptが露出している部分に対する前記Auが被覆している部分の面積比率であるAu存在比が0.4以上であり、前記センサ素子を前記被測定ガス中に配置し、かつ前記ヒータによって前記センサ素子を450℃以上700℃未満の素子制御温度に加熱した状態で、前記検知電極と前記基準電極との間に生じる電位差に基づいて、前記アンモニアガスの濃度を求める、ことを特徴とする。 A fourteenth aspect of the present invention is a method for measuring the concentration of ammonia gas in a gas to be measured using a mixed potential type gas sensor, wherein the gas sensor comprises an oxygen ion conductive solid electrolyte as a constituent material. A sensor element; and a heater provided inside the sensor element for heating the sensor element, the sensor element having a detection electrode made of a cermet of a noble metal and a solid electrolyte having oxygen ion conductivity on the surface. And a reference electrode composed of a cermet of Pt and a solid electrolyte having oxygen ion conductivity, wherein the noble metal is Pt and Au, and the Pt of the surfaces of the noble metal particles constituting the detection electrode is The Au abundance ratio, which is the area ratio of the portion covered with the Au to the exposed portion, is 0.4 or more, and the sensor element is Based on a potential difference generated between the detection electrode and the reference electrode in a state where the sensor element is placed in a measurement gas and the sensor element is heated to an element control temperature of 450 ° C. or more and less than 700 ° C. by the heater, the ammonia The gas concentration is obtained.
本発明の第15の態様は、第14の態様に係るアンモニアガスの濃度測定方法であって、前記素子制御温度を450℃以上650℃以下とする、ことを特徴とする。 A fifteenth aspect of the present invention is the ammonia gas concentration measurement method according to the fourteenth aspect, wherein the element control temperature is 450 ° C. or higher and 650 ° C. or lower.
本発明の第1ないし第15の態様によれば、他のガス成分による干渉の影響が低減されてなり、アンモニアガスを好適に検知できるとともに、耐久性の優れたアンモニアガスセンサが実現される。 According to the first to fifteenth aspects of the present invention, the influence of interference by other gas components is reduced, and ammonia gas can be suitably detected, and an ammonia gas sensor with excellent durability is realized.
特に、本発明の第1ないし第3の態様によれば、少なくとも炭化水素ガスによる干渉の影響が低減されたアンモニアガスセンサが実現される。 In particular, according to the first to third aspects of the present invention, an ammonia gas sensor is realized in which at least the influence of interference by hydrocarbon gas is reduced.
特に、本発明の第2および第3の態様によれば、炭化水素ガスに加えて水蒸気による干渉の影響についても低減されたアンモニアガスセンサが実現される。 In particular, according to the second and third aspects of the present invention, an ammonia gas sensor is realized in which the influence of interference due to water vapor is reduced in addition to the hydrocarbon gas.
特に、本発明の第4および第5の態様によれば、水蒸気による干渉の影響についても低減されたアンモニアガスセンサが実現される。 In particular, according to the fourth and fifth aspects of the present invention, an ammonia gas sensor is realized in which the influence of water vapor interference is reduced.
また、本発明の第11ないし第15の態様によれば、他のガス成分による干渉の影響を抑制した状態でアンモニアガスの濃度を求めることができる。 Moreover, according to the 11th thru | or 15th aspect of this invention, the density | concentration of ammonia gas can be calculated | required in the state which suppressed the influence of the interference by another gas component.
特に、本発明の第11ないし第13の態様によれば、少なくとも炭化水素ガスによる干渉の影響を抑制した状態でアンモニアガスの濃度を求めることができる。 In particular, according to the eleventh to thirteenth aspects of the present invention, the concentration of ammonia gas can be determined in a state where at least the influence of interference by hydrocarbon gas is suppressed.
特に、本発明の第12および第13の態様によれば、炭化水素ガスに加えて水蒸気による干渉の影響を抑制した状態でアンモニアガスの濃度を求めることができる。 In particular, according to the twelfth and thirteenth aspects of the present invention, it is possible to determine the concentration of ammonia gas in a state where the influence of water vapor interference is suppressed in addition to the hydrocarbon gas.
特に、本発明の第14および第15の態様によれば、水蒸気による干渉の影響を抑制した状態でアンモニアガスの濃度を求めることができる。 In particular, according to the fourteenth and fifteenth aspects of the present invention, the concentration of ammonia gas can be determined in a state where the influence of interference due to water vapor is suppressed.
<第1の構成>
図1は、本発明の第1の構成に係るガスセンサ100Aの構成の一例を概略的に示す断面模式図である。図1(a)は、ガスセンサ100Aの主たる構成要素であるセンサ素子101Aの長手方向に沿った垂直断面図である。また、図1(b)は、図1(a)のA−A’位置におけるセンサ素子101Aの長手方向に垂直な断面を含む図である。
<First configuration>
FIG. 1 is a schematic cross-sectional view schematically showing an example of the configuration of the
本発明の第1の構成に係るガスセンサ100Aは、いわゆる混成電位型のガスセンサである。ガスセンサ100Aは、概略的にいえば、ジルコニア(ZrO2)等の酸素イオン伝導性固体電解質たるセラミックスを主たる構成材料とするセンサ素子101Aの表面に設けた検知電極10と、該センサ素子101Aの内部に設けた基準電極20との間に、混成電位の原理に基づいて両電極近傍における測定対象たるガス成分の濃度の相違に起因して電位差が生じることを利用して、被測定ガス中の当該ガス成分の濃度を求めるものである。
The
より具体的には、ガスセンサ100Aは、ディーゼルエンジンやガソリンエンジンなどの内燃機関の排気管内に存在する排ガスを被測定ガスとし、該被測定ガス中のアンモニア(NH3)ガスの濃度を、好適に求めるためのものである。
More specifically, the
また、センサ素子101Aには、上述した検知電極10および基準電極20に加えて、基準ガス導入層30と、基準ガス導入空間40と、表面保護層50とが主に設けられてなる。
In addition to the
なお、本発明の第1の構成においては、センサ素子101Aが、それぞれが酸素イオン伝導性固体電解質からなる第1固体電解質層1と、第2固体電解質層2と、第3固体電解質層3と、第4固体電解質層4と、第5固体電解質層5と、第6固体電解質層6との6つの層を、図面視で下側からこの順に積層した構造を有し、かつ、主としてそれらの層間あるいは素子外周面に他の構成要素を設けてなるものとする。なお、それら6つの層を形成する固体電界質は緻密な気密のものである。係るセンサ素子101Aは、例えば、各層に対応するセラミックスグリーンシートに所定の加工および回路パターンの印刷などを行った後にそれらを積層し、さらに、焼成して一体化させることによって製造される。
In the first configuration of the present invention, the
ただし、ガスセンサ100Aがセンサ素子101Aをこのような6つの層の積層体として備えることは必須の態様ではない。センサ素子101Aは、より多数あるいは少数の層の積層体として構成されていてもよいし、あるいは積層構造を有していなくともよい。
However, it is not an essential aspect that the
以下の説明においては、便宜上、図面視で第6固体電解質層6の上側に位置する面をセンサ素子101Aの表面Saと称し、第1固体電解質層1の下側に位置する面をセンサ素子101Aの裏面Sbと称する。また、ガスセンサ100Aを使用して被測定ガス中のアンモニアガスの濃度を求める際には、センサ素子101Aの一方端部である先端部E1から少なくとも検知電極10を含む所定の範囲が、被測定ガス雰囲気中に配置され、他方端部である基端部E2を含むその他の部分は、被測定ガス雰囲気と接触しないように配置されるものとする。
In the following description, for convenience, a surface located above the sixth
検知電極10は、被測定ガスを検知するための電極である。検知電極10は、Auを所定の比率で含むPt、つまりはPt−Au合金と、ジルコニアとの多孔質サーメット電極として形成されてなる。係る検知電極10は、センサ素子101Aの表面Saであって、長手方向の一方端部たる先端部E1寄りの位置に平面視略矩形状に設けられてなる。なお、ガスセンサ100Aが使用される際には、センサ素子101Aのうち、少なくとも係る検知電極10が設けられている部分までが、被測定ガス中に露出する態様にて配置される。
The
また、検知電極10は、その構成材料たるPt−Au合金の組成を好適に定めることによって、所定の濃度範囲について、アンモニアガスに対する触媒活性が不能化されてなる。つまりは、検知電極10でのアンモニアガスの分解反応を抑制させられてなる。これにより、ガスセンサ100Aにおいては、検知電極10の電位が、当該濃度範囲のアンモニアガスに対して選択的に、その濃度に応じて変動する(相関を有する)ようになっている。換言すれば、検知電極10は、当該濃度範囲のアンモニアガスに対しては、電位の濃度依存性が高い一方で、他の被測定ガスの成分に対しては電位の濃度依存性が小さいという特性を有するように、設けられてなる。
In addition, the
より詳細には、本発明の第1の構成に係るガスセンサ100Aのセンサ素子101Aにおいては、検知電極10を構成するPt−Au合金粒子の表面におけるAu存在比を好適に定めることで、少なくとも0ppm〜100ppmという濃度範囲において電位のアンモニアガス濃度に対する依存性が顕著であるように、検知電極10が設けられてなる。詳細は後述するが、これはすなわち、検知電極10が、0ppm〜100ppmという濃度範囲においてアンモニアガスを好適に検知できるように設けられていることを意味する。
More specifically, in the
なお、本明細書において、Au存在比とは、検知電極10を構成する貴金属粒子の表面のうち、Ptが露出している部分に対する、Auが被覆している部分の面積比率を意味している。本明細書においては、貴金属粒子の表面に対しAES(オージェ電子分光法)分析を行うことでより得られるオージェスペクトルにおけるAuとPtとについての検出値を用い、
Au存在比=Au検出値/Pt検出値・・・(1)
なる式にてAu存在比を算出する。Ptが露出している部分の面積と、Auによって被覆されてなる部分の面積が等しいときに、Au存在比は1となる。
In the present specification, the Au abundance ratio means an area ratio of a portion covered with Au to a portion where Pt is exposed in the surface of the noble metal particle constituting the
Au abundance ratio = Au detection value / Pt detection value (1)
The Au abundance ratio is calculated by the following formula. When the area of the part where Pt is exposed is equal to the area of the part covered with Au, the Au abundance ratio is 1.
なお、Au存在比は、貴金属粒子の表面に対しXPS(X線光電子分光法)分析を行うことにより得られるAuとPtとについての検出ピークのピーク強度から、相対感度係数法を用いて算出することも可能である。係る手法に得られるAu存在比の値と、AES分析の結果に基づいて算出されるAu存在比の値とは、実質的に同じとみなせる。 The Au abundance ratio is calculated using the relative sensitivity coefficient method from the peak intensities of detection peaks for Au and Pt obtained by performing XPS (X-ray photoelectron spectroscopy) analysis on the surface of the noble metal particles. It is also possible. The value of the Au abundance ratio obtained by such a method can be regarded as substantially the same as the value of the Au abundance ratio calculated based on the result of the AES analysis.
検知電極10の詳細については後述する。
Details of the
基準電極20は、センサ素子101Aの内部に設けられた、被測定ガスの濃度を求める際に基準となる平面視略矩形状の電極である。基準電極20は、Ptとジルコニアとの多孔質サーメット電極として形成されてなる。
The
なお、基準電極20は、気孔率が10%以上30%以下であり、厚みが5μm以上15μm以下であるように形成されればよい。また、基準電極20の平面サイズは、図1に例示するように検知電極10に比して小さくてもよいし、後述する第2の構成のように検知電極10と同程度でもよい(図3参照)。
The
基準ガス導入層30は、センサ素子101Aの内部において基準電極20を覆うように設けられた、多孔質のアルミナからなる層であり、基準ガス導入空間40は、センサ素子101Aの基端部E2側に設けられた内部空間である。基準ガス導入空間40には、アンモニアガス濃度を求める際の基準ガスとしての大気(酸素)が外部より導入される。
The reference
これら基準ガス導入空間40と基準ガス導入層30は互いに連通しているので、ガスセンサ100Aが使用される際には基準ガス導入空間40および基準ガス導入層30を通じて基準電極20の周囲が絶えず大気(酸素)で満たされるようになっている。それゆえ、ガスセンサ100Aの使用時、基準電極20は、常に一定の電位を有してなる。
Since the reference
なお、基準ガス導入空間40および基準ガス導入層30は周囲の固体電解質によって被測定ガスと接触しないようになっているので、検知電極10が被測定ガスに曝されている状態であっても、基準電極20が被測定ガスと接触することはない。
Since the reference
図1に例示する場合であれば、センサ素子101Aの基端部E2の側において第5固体電解質層5の一部が外部と連通する空間とされる態様にて基準ガス導入空間40が設けられてなる。また、第5固体電解質層5と第6固体電解質層6との間においてセンサ素子101Aの長手方向に延在させる態様にて基準ガス導入層30が設けられてなる。そして、センサ素子101Aの重心の図面視下方の位置に、基準電極20が設けられてなる。
In the case illustrated in FIG. 1, the reference
表面保護層50は、センサ素子101Aの表面Saにおいて少なくとも検知電極10を被覆する態様にて設けられた、アルミナからなる多孔質層である。表面保護層50は、ガスセンサ100Aの使用時に被測定ガスに連続的に曝されることによる検知電極10の劣化を抑制する電極保護層として設けられてなる。図1に例示する場合においては、表面保護層50は、検知電極10のみならず、センサ素子101Aの表面Saのうち先端部E1から所定の範囲を除くほぼ全ての部分を覆う態様にて設けられてなる。
The surface
係る表面保護層50は、10μm〜50μmの厚みに設けられればよく、また、その気孔径は1μm以下であればよく、気孔率は5%以上40%以下であるのが好適である。気孔率は5%未満であると、被測定ガスが検知電極10に好適に到達せず、ガスセンサ100Aの応答性が悪くなるため好ましくない。気孔率が40%を上回ると、検知電極10に対する被毒物質の付着などが生じやすくなり、検知電極10を保護する機能が十分に果たせなくなるため好ましくない。
The surface
なお、表面保護層50の気孔率が40%以下である場合、後述するように、他のガス成分の干渉の影響を抑制できるという効果もある。
In addition, when the porosity of the surface
なお、本実施の形態においては、気孔率を、断面SEM像(2次電子像)の拡大像を画像解析することによって評価するものとする(水谷惟恭他著「セラミックプロセシング」(技報堂出版)の記載を参考にしている)。 In the present embodiment, the porosity is evaluated by image analysis of an enlarged image of a cross-sectional SEM image (secondary electron image) (“Ceramic Processing” by Kaoru Mizutani et al. (Gihodo Publishing) The description is used as a reference).
また、図1(b)に示すように、ガスセンサ100Aにおいては、検知電極10と基準電極20との間の電位差を測定可能な電位差計60が備わっている。なお、図1(b)においては検知電極10および基準電極20と電位差計60との間の配線を簡略化して示しているが、実際のセンサ素子101Aにおいては、基端部E2側の表面Saもしくは裏面Sbに図示しない接続端子がそれぞれの電極に対応させて設けられてなるとともに、それぞれの電極と対応する接続端子とを結ぶ図示しない配線パターンが表面Saおよび素子内部に形成されてなる。そして、検知電極10および基準電極20と電位差計60とは配線パターンおよび接続端子を通じて電気的に接続されてなる。以降、電位差計60で測定される検知電極10と基準電極20との間の電位差をセンサ出力とも称する。
Further, as shown in FIG. 1B, the
さらに、センサ素子101Aは、固体電解質の酸素イオン伝導性を高めるために、センサ素子101Aを加熱して保温する温度調整の役割を担うヒータ部70を備えている。ヒータ部70は、ヒータ電極71と、ヒータ72と、スルーホール73と、ヒータ絶縁層74、圧力放散孔75とを備えている。
Further, the
ヒータ電極71は、センサ素子101Aの裏面Sb(図1においては第1固体電解質層1の下面)に接する態様にて形成されてなる電極である。ヒータ電極71は外部電源80と電気的に接続され、外部電源80からヒータ電極71を通じてヒータ部70へ給電することができるようになっている。
The
ヒータ72は、センサ素子101Aの内部に設けられた電気抵抗体である。ヒータ72は、スルーホール73を介してヒータ電極71と接続されており、該ヒータ電極71を通して外部電源80より給電されることにより発熱し、センサ素子101Aを形成する固体電解質の加熱と保温を行う。
The
図1に例示する場合であれば、ヒータ72は第2固体電解質層2と第3固体電解質層3とに上下から挟まれた態様にて、かつ、基端部E2から先端部E1近傍の検知電極10の下方の位置に渡って埋設されてなる。図示しない制御手段によって外部電源80がヒータ72に印加する電圧値を適宜に制御して、所望される温度に応じたヒータ電流を流すことにより、センサ素子101A全体を固体電解質が活性化する温度に調整することが可能となっている。
In the case illustrated in FIG. 1, the
ヒータ絶縁層74は、ヒータ72の上下面に、アルミナ等の絶縁体によって形成されてなる絶縁層である。ヒータ絶縁層74は、第2固体電解質層2とヒータ72との間の電気的絶縁性、および、第3固体電解質層3とヒータ72との間の電気的絶縁性を得る目的で形成されている。
The
圧力放散孔75は、第3固体電解質層3を貫通し、基準ガス導入空間40に連通するように設けられてなる部位であり、ヒータ絶縁層74内の温度上昇に伴う内圧上昇を緩和する目的で形成されてなる。
The
以上のような構成を有するガスセンサ100Aを用いて被測定ガスにおけるアンモニアガス濃度を求める際には、上述したように、センサ素子101Aのうち先端部E1から少なくとも検知電極10を含む所定の範囲のみを、被測定ガスが存在する空間に配置する一方で、基端部E2の側は当該空間とは隔絶させて配置し、基準ガス導入空間40に対し大気(酸素)を供給する。また、ヒータ72によりセンサ素子101Aを温度400℃以上800℃以下の所定温度に、好ましくは450℃以上750℃未満の所定温度に、より好ましくは450℃以上650℃以下の所定温度に加熱する。なお、ヒータ72により加熱される際のセンサ素子101Aの温度を、素子制御温度とも称する。本実施の形態においては、検知電極10の表面温度により素子制御温度を評価する。検知電極10の表面温度は、赤外線サーモグラフィにより評価可能である。
When obtaining the ammonia gas concentration in the gas to be measured using the
上述した状態においては、被測定ガスに曝されてなる検知電極10と大気中に配置されてなる基準電極20との間に電位差が生じる。ただし、上述のように、大気(酸素濃度一定)雰囲気下に配置されてなる基準電極20の電位は一定に保たれている一方で、検知電極10の電位は、被測定ガス中のアンモニアガスに対して選択的に濃度依存性を有するものとなっているので、その電位差(センサ出力)は実質的に、検知電極10の周囲に存在する被測定ガスの組成に応じた値となる。それゆえ、アンモニアガス濃度と、センサ出力との間には一定の関数関係(これを感度特性と称する)が成り立つ。以降の説明においては、係る感度特性につき、検知電極10についての感度特性などと称することがある。
In the state described above, a potential difference is generated between the
実際にアンモニアガス濃度を求めるにあたっては、あらかじめ、それぞれのアンモニアガス濃度が既知である相異なる複数の混合ガスを被測定ガスとしてセンサ出力を測定することで、感度特性を実験的に特定しておく。これにより、ガスセンサ100Aを実使用する際には、被測定ガス中のアンモニアガスの濃度に応じて時々刻々変化するセンサ出力を、図示しない演算処理部において感度特性に基づきアンモニアガス濃度に換算することによって、被測定ガス中のアンモニアガス濃度をほぼリアルタイムで求めることができる。
When actually obtaining the ammonia gas concentration, the sensitivity characteristics are experimentally specified in advance by measuring the sensor output using a plurality of different mixed gases with known ammonia gas concentrations as the gas under measurement. . Thus, when the
<第1の構成の変形例>
図2は、ガスセンサ100Aの変形例であるガスセンサ100Bの構成の一例を概略的に示す断面模式図である。図2(a)は、ガスセンサ100Bの主たる構成要素であるセンサ素子101Bの長手方向に沿った垂直断面図である。また、図2(b)は、図2(a)のB−B’位置におけるセンサ素子101Bの長手方向に垂直な断面を含む図である。
<Modification of the first configuration>
FIG. 2 is a schematic cross-sectional view schematically showing an example of the configuration of a gas sensor 100B that is a modification of the
ガスセンサ100Bは、ガスセンサ100Aのセンサ素子101Aの基準ガス導入空間40を検知電極10の下方にまで延在させる一方で、基準ガス導入層30を省略し、かつ、基準電極20を基準ガス導入空間40に露出させる態様にて設けたものである。それ以外の構成についてはガスセンサ100Aと同じである。それゆえ、センサ出力の生じ方も、ガスセンサ100Aの場合と同じである。すなわち、ガスセンサ100Bも、ガスセンサ100Aと同様に、いわゆる混成電位型のガスセンサである。
The gas sensor 100B extends the reference
よって、以上のような構成を有するガスセンサ100Bにおいても、ガスセンサ100Aと同様に、あらかじめ感度特性を特定しておくことで、被測定ガス中のアンモニアガス濃度を求めることができる。
Therefore, also in the gas sensor 100B having the above-described configuration, the ammonia gas concentration in the gas to be measured can be obtained by specifying the sensitivity characteristics in advance as in the
<第2の構成>
図3は、本発明の第2の構成に係るガスセンサ100Cの構成の一例を概略的に示す断面模式図である。図3(a)は、ガスセンサ100Cの主たる構成要素であるセンサ素子101Cの長手方向に沿った垂直断面図である。また、図3(b)は、図3(a)のC−C’位置におけるセンサ素子101Cの長手方向に垂直な断面を含む図である。
<Second configuration>
FIG. 3 is a schematic cross-sectional view schematically showing an example of the configuration of the gas sensor 100C according to the second configuration of the present invention. FIG. 3A is a vertical cross-sectional view along the longitudinal direction of the sensor element 101C, which is the main component of the gas sensor 100C. FIG. 3B includes a cross section perpendicular to the longitudinal direction of the sensor element 101C at the CC ′ position in FIG.
ガスセンサ100Cも、ガスセンサ100Aおよび100Bと同様に、いわゆる混成電位型のガスセンサである。ただし、ガスセンサ100Cのセンサ素子101Cは、上述したセンサ素子101Aやセンサ素子101Bとは異なり、検知電極10のみならず基準電極20についてもセンサ素子101Cの表面Saに配置してなるとともに表面保護層50で被覆してなる。なお、それぞれの電極の構成材料自体は、ガスセンサ100Aおよび100Bと同じである。
Similarly to the
その一方で、内部に基準ガス導入空間40(さらには基準ガス導入層30)および圧力放散孔75は備えていない。その他の構成要素についてはガスセンサ100Aおよび100Bと同様である。なお、図3に示す場合においては、検知電極10と基準電極20とは、長手方向において同じ位置に設けられてなる(図3(b)参照)が、これは必須の態様ではなく、長手方向に沿って配置されていてもよい。
On the other hand, the reference gas introduction space 40 (and the reference gas introduction layer 30) and the
以上のような構成を有するガスセンサ100Cを用いて被測定ガスにおけるアンモニアガス濃度を求める際には、ガスセンサ100Aおよび100Bとは異なり、検知電極10に加えて基準電極20もが被測定ガスに曝される態様にて、センサ素子101Cを配置する。それゆえ、検知電極10と基準電極20とは同じ雰囲気に曝されることになるが、両電極の構成材料はガスセンサ100Aおよび100Bと同じであるので、検知電極10の電位がアンモニアガス濃度に対して選択的に変動する点も同じである。一方で、Ptとジルコニアとの多孔質サーメット電極として形成されてなる基準電極20では、検知電極10とは異なり、特定のガス成分に対し触媒活性が抑制されているわけではないことから、結果として、アンモニアガス以外のガス成分に対する挙動は検知電極10と基準電極20とにおいて同じとなる。それゆえ、ガスセンサ100Cにおいても、センサ出力は実質的に、被測定ガス中に存在するアンモニアガスに応じて変動することになる。
When obtaining the ammonia gas concentration in the measurement gas using the gas sensor 100C having the above-described configuration, the
従って、ガスセンサ100Cにおいても、ガスセンサ100Aおよび100Bと同様に、あらかじめ感度特性を特定しておくことで、被測定ガス中のアンモニアガス濃度を求めることができる。
Therefore, in the gas sensor 100C, similarly to the
<検知電極の詳細>
上述のように、ガスセンサ100Aないし100Cにおいては、検知電極10を、アンモニアガスに対する触媒活性が所定の濃度範囲について不能化されるように形成する。これは、検知電極10の導電性成分(貴金属成分)として、主成分である白金(Pt)に加えて金(Au)を含有させることで実現される。
<Details of detection electrode>
As described above, in the
なお、Au存在比が大きいほど、検知電極10を構成する貴金属粒子の表面にAuが濃化する傾向がある。より詳細には、PtリッチなPt−Au合金粒子の表面近傍に、AuリッチなPt−Au合金が形成された状態となる傾向がある。そして、係る傾向が大きいほど、検知電極10における触媒活性が不能化される傾向が大きくなる。
In addition, there exists a tendency for Au to concentrate on the surface of the noble metal particle which comprises the
図4は、検知電極10におけるAu存在比をそれぞれに違えた5種類のセンサ素子101Aにおける感度特性(アンモニアガス濃度に対するセンサ出力の変化)を例示する図である。係る感度特性を得た際のセンサ出力の測定条件と、Au存在比の分析条件は以下の通りである。なお、図4に示すAu存在比は、検知電極10の破断面に存在する貴金属部分の相異なる3箇所におけるAES分析結果のそれぞれから式(1)によって算出される値の平均値である。
FIG. 4 is a diagram illustrating sensitivity characteristics (changes in sensor output with respect to ammonia gas concentration) in five types of
(センサ出力の測定条件)
素子制御温度:500℃;
ガス雰囲気:O2=10%、H2O=5%、NH3=0−100ppm(25ppmステップ)、残余はN2;
ガス流量:0.5L/min;
圧力:1atm;
表面保護層:気孔率12%、厚み10μm。
(Measurement conditions for sensor output)
Element control temperature: 500 ° C .;
Gas atmosphere: O 2 = 10%, H 2 O = 5%, NH 3 = 0-100 ppm (25 ppm step), the balance is N 2 ;
Gas flow rate: 0.5 L / min;
Pressure: 1 atm;
Surface protective layer: Porosity 12%,
(Au存在比の分析条件)
装置:電界放射型オージェ電子分光装置(米Physical Electronics社製 SAM680);
測定条件:加速電圧20keV;
分析領域:約50nmφ(検知電極10の表面に露出している貴金属粒子のスポット分析)。
(Au abundance analysis conditions)
Apparatus: Field emission Auger electron spectrometer (SAM680, manufactured by Physical Electronics, USA);
Measurement conditions:
Analysis region: about 50 nmφ (spot analysis of noble metal particles exposed on the surface of the detection electrode 10).
図4によると、検知電極10におけるAu存在比が0の場合(つまりは検知電極における金属成分をPtのみとした場合)および0.20の場合、グラフは横ばいであり、つまりはアンモニアガス濃度が高くてもセンサ出力は全く得られない。
According to FIG. 4, when the Au abundance ratio in the
しかしながら、Au存在比が0.28では高濃度側でグラフに傾きが生じ、Au存在比が0.36および1.09の場合には低濃度側で顕著な出力変化がみられ、高濃度側でもセンサ出力はアンモニアガス濃度が大きいほど高い値となっている。 However, when the Au abundance ratio is 0.28, the graph is inclined on the high concentration side, and when the Au abundance ratio is 0.36 and 1.09, a remarkable output change is seen on the low concentration side, and the high concentration side However, the sensor output increases as the ammonia gas concentration increases.
このような、検知電極10のAu存在比とガスセンサの感度特性との関係を踏まえ、検知電極10におけるAu存在比を0.4以上とすることで、0ppm〜100ppmという低濃度範囲でのアンモニアガス濃度の測定を可能としたものが、上述したガスセンサ100A〜100Cである。
Based on the relationship between the Au abundance ratio of the
なお、Au存在比をあまり大きくしすぎると、検知電極10の形成自体が困難となるほか、検知電極10全体として融点が低下してしまうことになるので、検知電極10を好適に機能させるという点からは、Au存在比はせいぜい2.4以下であればよい。
If the Au abundance ratio is too large, it becomes difficult to form the
また、図4に示すように、Au存在比が小さい場合は高濃度側でセンサ出力の濃度依存性が顕著となり、Au存在比が大きい場合には低濃度側でセンサ出力の濃度依存性が顕著となる理由としては、前者の場合、検知電極10中にPtが多いために、排ガス中のアンモニアが三相界面に到達して電気化学反応を起こすまでの間にPtの触媒活性によって燃焼してしまうのに対し、後者の場合、排ガス中の一部のアンモニアは燃焼せず、未燃のまま三相界面に到達するので、電気化学反応が起こって電位が発現するからであると考えられる。
Further, as shown in FIG. 4, when the Au abundance ratio is small, the concentration dependence of the sensor output becomes remarkable on the high concentration side, and when the Au abundance ratio is large, the concentration dependence of the sensor output is noticeable on the low concentration side. The reason for this is that in the former case, since Pt is large in the
なお、検知電極10における貴金属成分とジルコニアとの体積比率は、4:6から8:2程度であればよい。
The volume ratio between the noble metal component and zirconia in the
また、ガスセンサ100Aないし100Cがその機能を好適に発現するには、検知電極10の気孔率が10%以上30%以下であり、検知電極10の厚みは、5μm以上であることが好ましい。
Further, in order for the
また、検知電極10の平面サイズは適宜に定められてよいが、例えば、センサ素子長手方向の長さが2mm〜10mm程度で、これに垂直な方向の長さが1mm〜5mm程度であればよい。
The planar size of the
<他のガス成分の干渉の抑制>
ガスセンサ100Aないし100Cは、アンモニアガスを検知対象としていることから、理想的には、そのセンサ出力はアンモニアガスの濃度のみを反映したものであることが望ましい。これは、換言すれば、検知電極10が、アンモニアガスに対しては電位の濃度依存性が高い一方で、他の被測定ガスの成分に対しては電位の濃度依存性を有さないように、設けられるのが望ましい、ということを意味する。
<Suppression of interference of other gas components>
Since the
しかしながら、混成電位の原理を採用している関係上、ガスセンサ100Aないし100Cにおいては、被測定ガス中に、アンモニアガスのほか、アンモニアガスと同程度の混成電位を発現する他のガス成分が混在する場合、得られるセンサ出力には原理上、係る他のガス成分に由来する出力値(検知電極10と基準電極20との間の電位差)が重畳し得る。すなわち、センサ出力に他のガス成分の干渉が生じ得る。係る干渉が生じると、アンモニアガスの濃度は実際の値よりも過大に算出されてしまう。従って、測定精度を確保するという観点からは、他のガス成分の濃度がセンサ出力に反映されるとしてもその影響ができるだけ抑制されることが望ましい。実際には、炭化水素ガスや水蒸気(H2Oガス)の干渉が問題となりやすい。
However, because the principle of the mixed potential is adopted, in the
(炭化水素ガスの干渉)
図5は、表面保護層50の気孔率が異なる3つのガスセンサ100Aについての、アンモニアガスに対する感度特性と、炭化水素ガスの一種であるエチレン(C2H4)ガスに対する感度特性とを示す図である。図5(a)、(b)、(c)はそれぞれ、表面保護層50を設けない(気孔率100%と仮定できる)ガスセンサ100A、表面保護層50の気孔率が40%のガスセンサ100A、および、表面保護層50の気孔率が12%のガスセンサ100Aについての結果である。
(Interference of hydrocarbon gas)
FIG. 5 is a diagram showing sensitivity characteristics with respect to ammonia gas and sensitivity characteristics with respect to ethylene (C 2 H 4 ) gas, which is a kind of hydrocarbon gas, for three
それぞれの感度特性を得た際のセンサ出力の測定条件は以下の通りである。なお、Au存在比はいずれのガスセンサ100Aにおいても約0.5であった。
The measurement conditions of sensor output when each sensitivity characteristic is obtained are as follows. The Au abundance ratio was about 0.5 in any
素子制御温度:500℃;
ガス雰囲気:O2=10%、H2O=5%、NH3もしくはC2H4=0−100ppm(NH3は25ppmステップ、C2H4は25ppm以外NH3と同じ濃度に設定)、残余はN2;
ガス流量:0.5L/min;
圧力:1atm;
表面保護層:厚み10μm。
Element control temperature: 500 ° C .;
Gas atmosphere: O 2 = 10%, H 2 O = 5%, NH 3 or C 2 H 4 = 0-100 ppm (NH 3 is set to 25 ppm step, C 2 H 4 is set to the same concentration as NH 3 except 25 ppm), The balance is N 2 ;
Gas flow rate: 0.5 L / min;
Pressure: 1 atm;
Surface protective layer:
また、気孔率の評価は、表面保護層50の断面SEM像を加速電圧5kVの条件で撮像し、その7500倍拡大像を画像解析することによって行った。
The evaluation of the porosity was performed by taking a cross-sectional SEM image of the surface
図5(a)〜(c)のいずれにおいても、アンモニアガス、エチレンガスともに、濃度が高くなるほどセンサ出力は増大しており、同じ濃度で比較すると、アンモニアガスの方が出力値が大きくなっている。また、エチレンガスの場合は、濃度値に対するセンサ出力の変化率(傾き)がほぼ一定であるのに対して、アンモニアガスの場合は、0ppm→25ppmで最も変化が大きくなっており、さらに濃度が大きい範囲では変化率は小さくなっている。 5A to 5C, both ammonia gas and ethylene gas have a higher sensor output as the concentration increases, and ammonia gas has a larger output value when compared at the same concentration. Yes. In the case of ethylene gas, the rate of change (slope) of the sensor output with respect to the concentration value is almost constant, whereas in the case of ammonia gas, the change is greatest from 0 ppm to 25 ppm, and the concentration is further increased. In a large range, the rate of change is small.
アンモニアガスの検知に対するエチレンガスの干渉を避けるという点からは、アンモニアガスの感度特性における出力値ができるだけ大きく、かつ、アンモニアガスの出力値とエチレンガスの出力値との差異が、できるだけ大きいことが望ましい。 From the viewpoint of avoiding the interference of ethylene gas with the detection of ammonia gas, the output value in the sensitivity characteristic of ammonia gas should be as large as possible, and the difference between the output value of ammonia gas and the output value of ethylene gas should be as large as possible. desirable.
この点から図5(a)〜(c)を対比すると、表面保護層50を設けていないガスセンサ100Aにおける感度特性を示す図5(a)の場合、100ppmまでの全般にわたってアンモニアガスとエチレンガスのセンサ出力値の差が他の場合に比して小さく、しかも、エチレンガスの濃度が100ppmの場合のセンサ出力値は、濃度が25ppmのときのアンモニアガスのセンサ出力値とほぼ同程度となってしまっている。
From this point, when comparing FIGS. 5A to 5C, in the case of FIG. 5A showing the sensitivity characteristic in the
係るガスセンサ100Aの場合、被測定ガス中に存在するアンモニアガスとエチレンガスの濃度差が十分に大きいことが保証されていない限り、アンモニアガスを確実に検知できているとは言えないことを意味する。
In the case of such a
これに対し、気孔率が40%の表面保護層50を設けた図5(b)の場合、および、気孔率が12%の表面保護層50を設けた図5(c)の場合、エチレンガスのセンサ出力は、濃度が100ppmのときの値であっても、濃度が25ppmのときのアンモニアガスのセンサ出力値に比して小さい。
In contrast, in the case of FIG. 5B in which the surface
このことは、ガスセンサ100Aが表面保護層50を備え、かつ該表面保護層50の気孔率の範囲が少なくとも40%以下である場合には、最大100ppmの炭化水素ガスが存在していたとしても、少なくとも25ppm以上の濃度でアンモニアガスが存在している場合には、これを確実に検知可能であることを意味する。係る場合、算出されるアンモニアガス濃度は誤差を含み得るものではあるが、図5(a)と図5(b)および(c)との対比より、表面保護層50を備えないガスセンサ100Aに比して、最大誤差は抑制されているということができる。つまりは、上述した理由による検知電極10の保護の観点から気孔率が40%以下の表面保護層50を備えるガスセンサ100Aは、表面保護層50を備えないガスセンサ100Aに比して、被測定ガスに含まれる炭化水素ガスによる干渉の影響を受けにくいものであるということができる。
This means that when the
もちろん、炭化水素ガスその他ガスの干渉が問題にならない場合には、より微量のアンモニアガスについてもその濃度を測定可能であることは、図5(b)および(c)に示した感度特性より明らかである。 Of course, when the interference of hydrocarbon gas and other gases is not a problem, it is clear from the sensitivity characteristics shown in FIGS. 5B and 5C that the concentration of even a trace amount of ammonia gas can be measured. It is.
また、図5に示したのはガスセンサ100Aにおける結果であるが、表面保護層50と検知電極10との配置関係はガスセンサ100Bおよび100Cにおいてもガスセンサ100Aと同様であるので、ガスセンサ100Bおよび100Cにおいても、表面保護層50に関してはガスセンサ100Aと同様の作用効果を得ることができる。
FIG. 5 shows the result of the
ただし、実際のガスセンサ100Aないし100Cの使用局面においては、アンモニアガスと炭化水素ガスとの干渉は、被測定ガスに含まれるアンモニアガスと炭化水素ガスとが同時に検知電極10に到達する場合に生じるものと思料されるところ、センサ素子101Aないし101Cにおいては、表面保護層50の気孔率が40%以下とされてなることで、アンモニアガスが優先的に検知電極10に到達するように構成されている。ガスセンサ100Aないし100Cにおいては、係る観点からも、炭化水素ガスによる干渉の影響が低減されてなる。
However, in the actual usage phase of the
具体的には、センサ素子101Aないし101Cにおいては、検知電極10を覆うように多孔質の表面保護層50が設けられているため、外部の被測定ガスは係る表面保護層50内部に網目状に形成されてなる細孔を通過して検知電極10に到達する。ただし、被測定ガスにはいくつかのガス成分が含まれるところ、個々のガス成分が表面保護層50を通過して検知電極10に到達するまでの速度は同じではなく、分子量が小さいガス成分ほど分子サイズが小さいために到達速度は大きくなる。例えば、アンモニアの分子量は17であるのに対し、内燃機関の排ガスに含まれる炭化水素ガスの場合、分子サイズが小さいエチレンでもあっても分子量は28であり、さらに分子量が大きい炭化水素ガスも発生し得ることから、アンモニアガスは炭化水素ガスよりも優先的に検知電極10に到達する。
Specifically, in the
そこで、所定のインターバルにて断続的に濃度測定を行うようにすれば、測定タイミング毎に最初に生じるセンサ出力はアンモニアガスに由来するものとなる。係るセンサ出力に基づいて濃度を算出すれば、炭化水素ガスの影響を排除した精度のよい算出が可能となる。 Therefore, if the concentration measurement is intermittently performed at a predetermined interval, the sensor output first generated at every measurement timing is derived from ammonia gas. If the concentration is calculated based on such sensor output, it is possible to calculate with high accuracy without the influence of hydrocarbon gas.
(水蒸気の干渉)
図6は、アンモニアガスの濃度が一定で水蒸気濃度(H2O濃度)が異なる複数のガス雰囲気下で、ガスセンサ100Aを異なる素子制御温度において駆動したときの、それぞれの素子制御温度における水蒸気濃度に対するセンサ出力の変化を、横軸を対数目盛としてプロットした図である。
(Water vapor interference)
FIG. 6 shows the water vapor concentration at each element control temperature when the
それぞれのセンサ出力を得た際の測定条件は以下の通りである。なお、使用したガスセンサ101Aの検知電極10におけるAu存在比は0.99であり、表面保護層50の気孔率は12%であった。
The measurement conditions when each sensor output is obtained are as follows. The Au abundance ratio in the
素子制御温度:380℃、420℃、450℃〜750℃(50℃ステップ);
ガス雰囲気:O2=10%、H2O=1%、5%、10%、15%、NH3=100ppm、残余はN2;
ガス流量:0.5L/min;
圧力:1atm;
表面保護層:厚み10μm。
Element control temperature: 380 ° C., 420 ° C., 450 ° C. to 750 ° C. (50 ° C. step);
Gas atmosphere: O 2 = 10%, H 2 O = 1%, 5%, 10%, 15%, NH 3 = 100 ppm, the balance is N 2 ;
Gas flow rate: 0.5 L / min;
Pressure: 1 atm;
Surface protective layer:
図6からは、素子制御温度が高いほどセンサ出力が小さくなる傾向がある一方で、素子制御温度が低いほど、特に水蒸気濃度が小さい範囲においてセンサ出力値が変動する傾向があり、420℃以下の場合に係る変動が顕著であることがわかる。アンモニアガスの濃度は100ppmで一定であるので、係る変動は、水蒸気の濃度の違いによるものと考えられる。そして、排ガス中の水蒸気濃度は通常5%〜15%程度であることから、排ガス中のアンモニアガス濃度の測定を考えた場合、係る変動は、水蒸気の濃度がアンモニアガス濃度の精度に影響を与える可能性があることを、つまりは、アンモニアガスの測定に際し水蒸気ガスの干渉があることを示している。 From FIG. 6, the sensor output tends to be smaller as the element control temperature is higher, while the sensor output value tends to fluctuate particularly in a range where the water vapor concentration is small as the element control temperature is lower. It can be seen that the variation associated with the case is significant. Since the concentration of ammonia gas is constant at 100 ppm, the fluctuation is considered to be due to the difference in the concentration of water vapor. And since the water vapor concentration in the exhaust gas is usually about 5% to 15%, when considering the measurement of the ammonia gas concentration in the exhaust gas, the fluctuation affects the accuracy of the ammonia gas concentration. This indicates that there is a possibility that water vapor gas interference occurs when measuring ammonia gas.
図6に示す結果を鑑みると、アンモニアガス濃度の測定に際して水蒸気の干渉の影響を排除するのであれば、素子制御温度を450℃以上700℃未満とするのが好ましく、450℃以上650℃以下とするのがより好ましいということができる。素子制御温度を係る範囲内で定めた場合、アンモニアガスの濃度が一定であれば、センサ出力が水蒸気濃度によらずほぼ一定となるからである。 In view of the results shown in FIG. 6, the element control temperature is preferably 450 ° C. or higher and lower than 700 ° C., and 450 ° C. or higher and 650 ° C. or lower if the influence of water vapor interference is excluded when measuring the ammonia gas concentration. It can be said that it is more preferable. This is because when the element control temperature is determined within such a range, if the ammonia gas concentration is constant, the sensor output is substantially constant regardless of the water vapor concentration.
このことを示すのが図7ないし図12である。図7ないし図12は、アンモニアガスの濃度と水蒸気濃度がそれぞれに異なる複数のガス雰囲気下において、380℃〜750℃の範囲の種々の素子制御温度でガスセンサ100Aを駆動したときの、アンモニアガス濃度に対するセンサ出力の変化を、水蒸気濃度が同じガス雰囲気ごとにプロットした図である。具体的には、図7、図8、図9、図10、図11、および図12はそれぞれ、素子制御温度を380℃、420℃、450℃、500℃、650℃、および750℃としたときの結果を示している。なお、図7(a)、図8(a)、図9(a)、図10(a)、図11(a)、および図12(a)の一部を拡大したものがそれぞれ、図7(b)、図8(b)、図9(b)、図10(b)、図11(b)、および図12(b)である。
This is shown in FIGS. 7 to 12 show the ammonia gas concentrations when the
それぞれのセンサ出力を得た際の測定条件は以下の通りである。なお、使用したガスセンサ101Aの検知電極10におけるAu存在比は0.99であり、表面保護層50の気孔率は12%であった。
The measurement conditions when each sensor output is obtained are as follows. The Au abundance ratio in the
ガス雰囲気:O2=10%、H2O=1%、5%、10%、15%、NH3=0ppm、1ppm、3ppm、5ppm、10ppm、25ppm、50ppm、100ppm、500ppm、残余はN2;
ガス流量:0,5L/min;
圧力:1atm;
表面保護層:厚み10μm。
Gas atmosphere: O 2 = 10%, H 2 O = 1%, 5%, 10%, 15%, NH 3 = 0 ppm, 1 ppm, 3 ppm, 5 ppm, 10 ppm, 25 ppm, 50 ppm, 100 ppm, 500 ppm, the balance being N 2 ;
Gas flow rate: 0.5 L / min;
Pressure: 1 atm;
Surface protective layer:
図7ないし図12を対比すると、まず、図7および図8に示す、素子制御温度が380℃および420℃の場合、センサ出力にはアンモニアガス濃度に対する依存性がみられるが、その一方で、水蒸気濃度の変動の影響も受けてしまっている。 When comparing FIG. 7 to FIG. 12, first, when the element control temperatures shown in FIG. 7 and FIG. 8 are 380 ° C. and 420 ° C., the sensor output shows dependence on the ammonia gas concentration. It has also been affected by fluctuations in water vapor concentration.
これに対し、図9ないし図11に示す、素子制御温度が450℃、500℃、および650℃の場合、0ppm〜500ppmの全ての濃度範囲で、センサ出力にはアンモニアガス濃度に対する依存性があり、かつ、水蒸気濃度によらずほぼ同じ程度のセンサ出力が得られている。誤差はせいぜい10mV程度であり、この程度の誤差は、ガスセンサ100Aにおけるそもそもの測定精度に照らして許容され得るものである。
On the other hand, when the element control temperatures shown in FIGS. 9 to 11 are 450 ° C., 500 ° C., and 650 ° C., the sensor output depends on the ammonia gas concentration in all concentration ranges from 0 ppm to 500 ppm. In addition, almost the same sensor output is obtained regardless of the water vapor concentration. The error is about 10 mV at most, and such an error can be allowed in light of the measurement accuracy in the
一方、図12に示す、素子制御温度が750℃の場合は、センサ出力はアンモニアガス濃度にも水蒸気濃度にも依存性を示さず、およそ15mV程度という小さい値で略一定となっている。 On the other hand, when the element control temperature shown in FIG. 12 is 750 ° C., the sensor output does not depend on the ammonia gas concentration or the water vapor concentration, and is substantially constant at a small value of about 15 mV.
すなわち、図7ないし図12に示す結果は、素子制御温度を450℃以上700℃未満という範囲で、好ましくは450℃以上650℃という範囲で適切に設定することで、水蒸気の干渉を考慮せずアンモニアガスの濃度を測定できることを示している。 That is, the results shown in FIGS. 7 to 12 show that the element control temperature is appropriately set in the range of 450 ° C. or higher and lower than 700 ° C., preferably in the range of 450 ° C. or higher and 650 ° C., so that the interference of water vapor is not considered. It shows that the concentration of ammonia gas can be measured.
なお、上述のように、アンモニアガス濃度の測定に際して水蒸気の干渉の影響を排除するのであれば、素子制御温度を450℃以上700℃未満とするのが好ましいと考えられるが、素子制御温度を700℃以上とした場合に必ずしもアンモニアガスの測定が行えないというわけではない。すなわち、素子制御温度を700℃以上とすると、水蒸気の干渉の影響は小さくなる一方で、センサ出力自体も小さくなってしまうが、アンモニアガス濃度が100ppmよりも大きな範囲であれば、図6に示した値よりもセンサ出力は大きくなるので、そのような濃度範囲での測定は原理上可能であり、必ずしもアンモニアガスの測定が行えないというわけではないからである。 As described above, it is considered that the element control temperature is preferably 450 ° C. or higher and lower than 700 ° C. if the influence of water vapor interference is excluded when measuring the ammonia gas concentration. When the temperature is higher than or equal to ° C., ammonia gas cannot always be measured. That is, when the element control temperature is set to 700 ° C. or more, the influence of water vapor interference is reduced, but the sensor output itself is also reduced. However, if the ammonia gas concentration is in a range larger than 100 ppm, it is shown in FIG. This is because the sensor output becomes larger than the measured value, so that measurement in such a concentration range is possible in principle, and ammonia gas cannot always be measured.
また、図6ないし図12に示したのはガスセンサ100Aにおける結果であるが、素子制御温度の設定はガスセンサ100Bおよび100Cにおいてもガスセンサ100Aと同様に行うので、ガスセンサ100Bおよび100Cにおいても、素子制御温度を450℃以上700℃未満とすれば、好ましくは、450℃以上650℃以下とすれば、ガスセンサ100Aと同様の作用効果を得ることができる。
6 to 12 show the results of the
なお、実際のガスセンサ100Aないし100Cの使用局面においては、アンモニアガスに対する水蒸気ガスの干渉は、先に説明した炭化水素ガスの干渉と、必ずしも独立に生じるわけではなく、通常は、両者の干渉は同時に生じる。しかしながら、上述のように素子制御温度を適切に設定すれば、センサ出力は水蒸気ガスの濃度には無関係となるので、表面保護層50の気孔率が5%以上40%以下の範囲で好適に定められていれば、被測定ガス中にアンモニアガスに加えて水蒸気ガスと炭化水素ガスとがともに存在している場合であっても、炭化水素ガスの干渉を最小限に抑えつつアンモニアガスの濃度を測定することができる。
It should be noted that in the actual usage phase of the
<センサ素子の製造プロセス>
次に、図1ないし図3に例示するような層構造を有する場合を例として、センサ素子101Aないし101Cを製造するプロセスについて説明する。概略的にいえば、図1ないし図3に例示するセンサ素子101Aないし101Cは、ジルコニアなどの酸素イオン伝導性固体電解質をセラミックス成分として含むグリーンシートからなる積層体を形成し、該積層体を切断・焼成することによって作製される。酸素イオン伝導性固体電解質としては、例えば、イットリウム部分安定化ジルコニア(YSZ)などが例示される。
<Manufacturing process of sensor element>
Next, a process for manufacturing the
図13は、センサ素子101Aないし101Cを作製する際の処理の流れを示す図である。センサ素子101Aないし101Cを作製する場合、まず、パターンが形成されていないグリーンシートであるブランクシート(図示せず)を用意する(ステップS1)。具体的には第1ないし第6固体電解質層1〜6に対応する6枚のブランクシートが用意される。併せて、表面保護層50を形成するためのブランクシートも用意される。ブランクシートには、印刷時や積層時の位置決めに用いる複数のシート穴が設けられている。係るシート穴は、パンチング装置による打ち抜き処理などで、あらかじめ形成されている。なお、対応する層が内部空間を構成するグリーンシートの場合、該内部空間に対応する貫通部も、同様の打ち抜き処理などによってあらかじめ設けられる。また、センサ素子101Aないし101Cの各層に対応するそれぞれのブランクシートの厚みは、全て同じである必要はない。
FIG. 13 is a diagram showing a flow of processing when manufacturing the
各層に対応したブランクシートが用意できると、それぞれのブランクシートに対して種々のパターンを形成するパターン印刷・乾燥処理を行う(ステップS2)。具体的には、検知電極10および基準電極20などの電極パターンや、基準ガス導入層30や、図示を省略している内部配線などが形成される。なお、第1固体電解質層1に対しては、後工程において積層体を切断するときに切断位置の基準とされるカットマークも印刷される。
When a blank sheet corresponding to each layer can be prepared, pattern printing / drying processing for forming various patterns is performed on each blank sheet (step S2). Specifically, electrode patterns such as the
各々のパターンの印刷は、それぞれの形成対象に要求される特性に応じて用意したパターン形成用ペーストを、公知のスクリーン印刷技術を利用してブランクシートに塗布することにより行う。印刷後の乾燥処理についても、公知の乾燥手段を利用可能である。 Each pattern is printed by applying a pattern forming paste prepared according to the characteristics required for each forming object to a blank sheet using a known screen printing technique. A known drying means can also be used for the drying process after printing.
なお、センサ素子101Aないし101Cにおいては、検知電極10の形成に用いる導電性ペーストの調製態様が特徴的である。その詳細については後述する。
The
パターン印刷が終わると、各層に対応するグリーンシート同士を積層・接着するための接着用ペーストの印刷・乾燥処理を行う(ステップS3)。接着用ペーストの印刷には、公知のスクリーン印刷技術を利用可能であり、印刷後の乾燥処理についても、公知の乾燥手段を利用可能である。 When the pattern printing is finished, printing / drying processing of an adhesive paste for laminating and bonding the green sheets corresponding to the respective layers is performed (step S3). A known screen printing technique can be used for printing the adhesive paste, and a known drying means can also be used for the drying process after printing.
続いて、接着剤が塗布されたグリーンシートを所定の順序に積み重ねて、所定の温度・圧力条件を与えることで圧着させ、一の積層体とする圧着処理を行う(ステップS4)。具体的には、図示しない所定の積層治具に積層対象となるグリーンシートをシート穴により位置決めしつつ積み重ねて保持し、公知の油圧プレス機などの積層機によって積層治具ごと加熱・加圧することによって行う。加熱・加圧を行う圧力・温度・時間については、用いる積層機にも依存するものであるが、良好な積層が実現できるよう、適宜の条件が定められればよい。 Subsequently, the green sheets to which the adhesive is applied are stacked in a predetermined order, and are subjected to pressure bonding by applying predetermined temperature and pressure conditions to perform a pressure bonding process to form a single laminate (step S4). Specifically, a green sheet to be laminated is stacked and held on a predetermined lamination jig (not shown) while being positioned by a sheet hole, and the lamination jig is heated and pressed together with a lamination machine such as a known hydraulic press machine. To do. The pressure, temperature, and time for performing heating and pressurization depend on the laminating machine to be used, but appropriate conditions may be determined so that good lamination can be realized.
上述のようにして積層体が得られると、続いて、係る積層体の複数個所を切断してセンサ素子101Aないし101Cの個々の単位(素子体と称する)に切り出す(ステップS5)。切り出された素子体を、所定の条件下で焼成することにより、上述のようなセンサ素子101Aないし101Cが生成される(ステップS6)。すなわち、センサ素子101Aないし101Cは、固体電解質層と電極との一体焼成(共焼成)によって生成されるものである。その際の焼成温度は、1200℃以上1500℃以下(例えば1400℃)が好適である。なお、係る態様にて一体焼成がなされることで、センサ素子101Aないし101Cにおいては、各電極が十分な密着強度を有するものとなっている。これはセンサ素子101A〜101Cの耐久性の向上に資するものである。
When a laminated body is obtained as described above, subsequently, a plurality of portions of the laminated body are cut and cut into individual units (referred to as element bodies) of the
このようにして得られたセンサ素子101Aないし101Cは、所定のハウジングに収容され、ガスセンサ100Aないし100Cの本体(図示せず)に組み込まれる。
The
<検知電極形成用の導電性ペースト>
次に、検知電極10の形成に用いる導電性ペーストについて説明する。検知電極形成用の導電性ペーストは、Auの出発原料としてAuイオン含有液体を用い、該Auイオン含有液体を、Pt粉末と、ジルコニア粉末と、バインダーとを混合することによって作製する。なお、バインダーとしては、他の原料を印刷可能な程度に分散させることができ、焼成によりすべて焼失するものを適宜選べばよい。係る態様での導電性ペーストの作製を、Au液体混合と称することとする。
<Conductive paste for detection electrode formation>
Next, the conductive paste used for forming the
ここで、Auイオン含有液体とは、Auイオンを含む塩もしくは有機金属錯体を、溶媒へ溶解させたものである。Auイオンを含む塩としては、例えばテトラクロロ金(III)酸(HAuCl4)、塩化金(III)ナトリウム(NaAuCl4)、二シアノ金(I)カリウム(KAu(CN)2)などを用いることができる。Auイオンを含む有機金属錯体としては、ジエチレンジアミン金(III)塩化物([Au(en)2]Cl3)、ジクロロ(1,10-フェナントロリン)金(III)塩化物([Au(phen)Cl2]Cl)、ジメチル(トリフルオロアセチルアセトナト)金あるいはジメチル(ヘキサフルオロアセチルアセトナト)金などを用いることができる。なお、NaやKなどの不純物が電極中に残留しない、取り扱いが容易である、あるいは溶媒へ溶解しやすい、などの観点からは、テトラクロロ金(III)酸やジエチレンジアミン金(III)塩化物([Au(en)2]Cl3)を用いることが好ましい。また、溶媒としては、メタノール、エタノール、プロパノールなどのアルコール類の他、アセトン、アセトニトリル、ホルムアミドなどを用いることができる。 Here, the Au ion-containing liquid is obtained by dissolving a salt or organometallic complex containing Au ions in a solvent. Examples of salts containing Au ions include tetrachloroauric (III) acid (HAuCl 4 ), gold (III) chloride (NaAuCl 4 ), potassium dicyanogold (I) (KAu (CN) 2 ), and the like. Can do. Examples of organometallic complexes containing Au ions include diethylenediamine gold (III) chloride ([Au (en) 2 ] Cl 3 ), dichloro (1,10-phenanthroline) gold (III) chloride ([Au (phen) Cl 2 ] Cl), dimethyl (trifluoroacetylacetonato) gold or dimethyl (hexafluoroacetylacetonato) gold can be used. From the standpoints that impurities such as Na and K do not remain in the electrode, are easy to handle, or are easily dissolved in a solvent, tetrachlorogold (III) acid and diethylenediamine gold (III) chloride. It is preferable to use ([Au (en) 2 ] Cl 3 ). In addition to alcohols such as methanol, ethanol, and propanol, acetone, acetonitrile, formamide, and the like can be used as the solvent.
なお、混合は、滴下などの公知の手段を用いて行うことができる。また、得られた導電性ペースト中においては、Auはイオン(もしくは錯イオン)の状態で存在しているが、上述した作製プロセスを経て得られたセンサ素子101Aないし101Cに形成されてなる検知電極10においては、Auは主として単体あるいはPtとの合金の状態で存在することになる。
In addition, mixing can be performed using well-known means, such as dripping. Further, in the obtained conductive paste, Au exists in an ion (or complex ion) state, but the detection electrode formed on the
図14は、Au液体混合にて検知電極形成用の導電性ペーストを作製する場合の、出発原料における全貴金属元素の重量(PtとAuの重量の総和)に対するAuの重量比率(以下、Au添加率と称する)に対し、当該導電性ペーストを用いて形成した検知電極10におけるAu存在比をプロットした図である。なお、図14に示すAu存在比は、XPS分析の結果に基づいて算出している。
FIG. 14 shows the weight ratio of Au (hereinafter referred to as Au addition) with respect to the weight of all precious metal elements in the starting material (the sum of the weights of Pt and Au) in the case of producing a conductive paste for forming a detection electrode by mixing Au liquid. It is the figure which plotted Au abundance ratio in the
図14からは、Au存在比がAu添加率に対して単調に増加する傾向があること、および、Au添加率を3wt%以上とした場合にAu存在比が0.4以上となる検知電極10が作製できることがわかる。図示は省略するが、Au存在比をAES分析の結果に基づいて算出した場合も同等の結果が得られる。すなわち、Au添加率を3wt%以上とした導電性ペーストを用いることで、Au存在比が0.4以上となる検知電極10を好適に形成することができる。例えば、Au添加率を20wt%とした導電性ペーストを用いることで、Au存在比が0.99となる検知電極10を好適に形成することができる。
From FIG. 14, it can be seen that the Au abundance ratio tends to increase monotonously with respect to the Au addition ratio, and the
なお、上述したように、Au存在比の値はせいぜい2.4以下であればよいが、係る上限値は、Au添加率を50wt%とすることで実現可能である。 As described above, the value of the Au abundance ratio may be 2.4 or less at most, but such an upper limit value can be realized by setting the Au addition rate to 50 wt%.
<導電性ペースト作製の別態様>
検知電極形成用の導電性ペーストを作製するにあたっては、上述のようにAu液体混合によって作製する代わりに、Ptの粉末にAuをコーティングしたコーティング粉末を出発原料として作製するようにしてもよい。係る場合、当該コーティング粉末と、ジルコニア粉末と、バインダーとを混合することによって、空所内ポンプ電極用の導電性ペーストを作製する。ここで、コーティング粉末としては、Pt粉末の粒子表面をAu膜にて被覆してなる態様のものを用いるようにしてもよいし、Pt粉末粒子にAu粒子を付着させてなる態様のものを用いるようにしてもよい。
<Another aspect of conductive paste production>
In producing the conductive paste for forming the detection electrode, instead of producing the conductive paste by Au liquid mixing as described above, a coating powder obtained by coating Pt powder with Au may be produced as a starting material. In such a case, a conductive paste for the pump electrode in the cavity is prepared by mixing the coating powder, zirconia powder, and a binder. Here, as the coating powder, an embodiment in which the surface of Pt powder particles is coated with an Au film may be used, or an embodiment in which Au particles are attached to Pt powder particles is used. You may do it.
この場合も、Au存在比が0.4以上2.4以下となる検知電極10を好適に形成することができる。
Also in this case, the
1〜6 第1〜第6固体電解質層
10 検知電極
20 基準電極
30 基準ガス導入層
40 基準ガス導入空間
50 表面保護層
60 電位差計
70 ヒータ部
71 ヒータ電極
72 ヒータ
73 スルーホール
74 ヒータ絶縁層
75 圧力放散孔
80 外部電源
100A、100B、100C ガスセンサ
101A、101B、101C センサ素子
E1 (センサ素子の)先端部
E2 (センサ素子の)基端部
Sa (センサ素子の)表面
Sb (センサ素子の)裏面
1-6 First to Sixth Solid Electrolyte Layers 10 Detecting
Claims (15)
酸素イオン伝導性の固体電解質を構成材料とするセンサ素子と、
前記センサ素子の内部に備わり、前記センサ素子を加熱するヒータと、
を備え、
前記センサ素子が、
貴金属と酸素イオン伝導性を有する固体電解質とのサーメットからなる検知電極を表面に備えるとともに、
Ptと酸素イオン伝導性を有する固体電解質とのサーメットからなる基準電極と、
少なくとも前記検知電極を被覆する多孔質層である電極保護層と、
を備え、
前記貴金属がPtとAuであり、
前記検知電極を構成する貴金属粒子の表面のうち前記Ptが露出している部分に対する前記Auが被覆している部分の面積比率であるAu存在比が0.4以上であり、
前記電極保護層の気孔率が5%以上40%以下であり、
前記センサ素子が前記被測定ガス中に配置され、かつ前記ヒータによって400℃以上800℃以下の素子制御温度に加熱されたときの、前記検知電極と前記基準電極との間に生じる電位差に基づいて、前記アンモニアガスの濃度を求める、
ことを特徴とするアンモニアガスセンサ。 A mixed potential type gas sensor for detecting ammonia gas in a gas to be measured,
A sensor element comprising an oxygen ion conductive solid electrolyte as a constituent material;
A heater provided inside the sensor element for heating the sensor element;
With
The sensor element is
The surface is provided with a detection electrode composed of a cermet of a noble metal and a solid electrolyte having oxygen ion conductivity,
A reference electrode composed of a cermet of Pt and a solid electrolyte having oxygen ion conductivity;
An electrode protective layer that is a porous layer covering at least the detection electrode;
With
The noble metals are Pt and Au;
The Au abundance ratio, which is the area ratio of the portion covered with the Au to the portion where the Pt is exposed, of the surface of the noble metal particles constituting the detection electrode is 0.4 or more,
The electrode protective layer has a porosity of 5% to 40%,
Based on a potential difference generated between the detection electrode and the reference electrode when the sensor element is disposed in the gas to be measured and heated to an element control temperature of 400 ° C. or more and 800 ° C. or less by the heater. Determining the concentration of the ammonia gas;
An ammonia gas sensor characterized by that.
前記素子制御温度が450℃以上700℃未満である、
ことを特徴とするアンモニアガスセンサ。 The ammonia gas sensor according to claim 1,
The element control temperature is 450 ° C. or higher and lower than 700 ° C.,
An ammonia gas sensor characterized by that.
前記素子制御温度が450℃以上650℃以下である、
ことを特徴とするアンモニアガスセンサ。 The ammonia gas sensor according to claim 2,
The element control temperature is 450 ° C. or higher and 650 ° C. or lower.
An ammonia gas sensor characterized by that.
酸素イオン伝導性の固体電解質を構成材料とするセンサ素子と、
前記センサ素子の内部に備わり、前記センサ素子を加熱するヒータと、
を備え、
前記センサ素子が、
貴金属と酸素イオン伝導性を有する固体電解質とのサーメットからなる検知電極を表面に備えるとともに、
Ptと酸素イオン伝導性を有する固体電解質とのサーメットからなる基準電極、
を備え、
前記貴金属がPtとAuであり、
前記検知電極を構成する貴金属粒子の表面のうち前記Ptが露出している部分に対する前記Auが被覆している部分の面積比率であるAu存在比が0.4以上であり、
前記センサ素子が前記被測定ガス中に配置され、かつ前記ヒータによって450℃以上700℃未満の素子制御温度に加熱されたときの、前記検知電極と前記基準電極との間に生じる電位差に基づいて、前記アンモニアガスの濃度を求める、
ことを特徴とするアンモニアガスセンサ。 A mixed potential type gas sensor for detecting ammonia gas in a gas to be measured,
A sensor element comprising an oxygen ion conductive solid electrolyte as a constituent material;
A heater provided inside the sensor element for heating the sensor element;
With
The sensor element is
The surface is provided with a detection electrode composed of a cermet of a noble metal and a solid electrolyte having oxygen ion conductivity,
A reference electrode comprising a cermet of Pt and a solid electrolyte having oxygen ion conductivity,
With
The noble metals are Pt and Au;
The Au abundance ratio, which is the area ratio of the portion covered with the Au to the portion where the Pt is exposed, of the surface of the noble metal particles constituting the detection electrode is 0.4 or more,
Based on a potential difference generated between the detection electrode and the reference electrode when the sensor element is disposed in the gas to be measured and heated to an element control temperature of 450 ° C. or higher and lower than 700 ° C. by the heater. Determining the concentration of the ammonia gas;
An ammonia gas sensor characterized by that.
前記素子制御温度が450℃以上650℃以下である、
ことを特徴とするアンモニアガスセンサ。 The ammonia gas sensor according to claim 4,
The element control temperature is 450 ° C. or higher and 650 ° C. or lower.
An ammonia gas sensor characterized by that.
前記センサ素子が、
前記被測定ガスが存在する空間と隔絶されており、基準ガスが導入される基準ガス導入空間、
をさらに備え、
前記基準電極が前記基準ガスの雰囲気下に配置されている、
ことを特徴とするアンモニアガスセンサ。 The ammonia gas sensor according to any one of claims 1 to 5,
The sensor element is
A reference gas introduction space that is isolated from the space in which the gas to be measured exists and into which the reference gas is introduced;
Further comprising
The reference electrode is disposed in an atmosphere of the reference gas;
An ammonia gas sensor characterized by that.
前記センサ素子が、
前記基準ガス導入空間に連通する多孔質層である基準ガス導入層、
をさらに備え、
前記基準電極が前記基準ガス導入層に被覆されている、
ことを特徴とするアンモニアガスセンサ。 The ammonia gas sensor according to claim 6,
The sensor element is
A reference gas introduction layer which is a porous layer communicating with the reference gas introduction space;
Further comprising
The reference electrode is coated on the reference gas introduction layer,
An ammonia gas sensor characterized by that.
前記基準電極が前記基準ガス導入空間に露出させて配置されている、
ことを特徴とするアンモニアガスセンサ。 The ammonia gas sensor according to claim 6,
The reference electrode is disposed so as to be exposed to the reference gas introduction space.
An ammonia gas sensor characterized by that.
前記検知電極と前記基準電極とが前記センサ素子の表面に配置されている、
ことを特徴とするアンモニアガスセンサ。 The ammonia gas sensor according to any one of claims 1 to 5,
The sensing electrode and the reference electrode are disposed on a surface of the sensor element;
An ammonia gas sensor characterized by that.
前記検知電極と前記基準電極とが電極保護層に被覆されている、
ことを特徴とするアンモニアガスセンサ。 The ammonia gas sensor according to claim 9, wherein
The detection electrode and the reference electrode are covered with an electrode protective layer,
An ammonia gas sensor characterized by that.
前記ガスセンサが、
酸素イオン伝導性の固体電解質を構成材料とするセンサ素子と、
前記センサ素子の内部に備わり、前記センサ素子を加熱するヒータと、
を備え、
前記センサ素子が、
貴金属と酸素イオン伝導性を有する固体電解質とのサーメットからなる検知電極を表面に備えるとともに、
Ptと酸素イオン伝導性を有する固体電解質とのサーメットからなる基準電極と、
少なくとも前記検知電極を被覆する多孔質層である電極保護層と、
を備えるものであり、
前記貴金属がPtとAuであり、
前記検知電極を構成する貴金属粒子の表面のうち前記Ptが露出している部分に対する前記Auが被覆している部分の面積比率であるAu存在比が0.4以上であり、
前記電極保護層の気孔率が5%以上40%以下であり、
前記センサ素子を前記被測定ガス中に配置し、かつ前記ヒータによって前記センサ素子を400℃以上800℃以下の素子制御温度に加熱した状態で、前記検知電極と前記基準電極との間に生じる電位差に基づいて、前記アンモニアガスの濃度を求める、
ことを特徴とするアンモニアガスの濃度測定方法。 A method for measuring the concentration of ammonia gas in a gas to be measured using a mixed potential type gas sensor,
The gas sensor is
A sensor element comprising an oxygen ion conductive solid electrolyte as a constituent material;
A heater provided inside the sensor element for heating the sensor element;
With
The sensor element is
The surface is provided with a detection electrode composed of a cermet of a noble metal and a solid electrolyte having oxygen ion conductivity,
A reference electrode composed of a cermet of Pt and a solid electrolyte having oxygen ion conductivity;
An electrode protective layer that is a porous layer covering at least the detection electrode;
It is equipped with
The noble metals are Pt and Au;
The Au abundance ratio, which is the area ratio of the portion covered with the Au to the portion where the Pt is exposed, of the surface of the noble metal particles constituting the detection electrode is 0.4 or more,
The electrode protective layer has a porosity of 5% to 40%,
A potential difference generated between the detection electrode and the reference electrode in a state where the sensor element is disposed in the gas to be measured and the sensor element is heated to an element control temperature of 400 ° C. or more and 800 ° C. or less by the heater. Based on the above, obtain the concentration of the ammonia gas,
A method for measuring the concentration of ammonia gas.
前記素子制御温度を450℃以上700℃未満とする、
ことを特徴とするアンモニアガスの濃度測定方法。 A method for measuring the concentration of ammonia gas according to claim 11,
The element control temperature is 450 ° C. or higher and lower than 700 ° C.
A method for measuring the concentration of ammonia gas.
前記素子制御温度を450℃以上650℃以下とする、
ことを特徴とするアンモニアガスの濃度測定方法。 A method for measuring the concentration of ammonia gas according to claim 12,
The element control temperature is set to 450 ° C. or higher and 650 ° C. or lower.
A method for measuring the concentration of ammonia gas.
前記ガスセンサが、
酸素イオン伝導性の固体電解質を構成材料とするセンサ素子と、
前記センサ素子の内部に備わり、前記センサ素子を加熱するヒータと、
を備え、
前記センサ素子が、
貴金属と酸素イオン伝導性を有する固体電解質とのサーメットからなる検知電極を表面に備えるとともに、
Ptと酸素イオン伝導性を有する固体電解質とのサーメットからなる基準電極、
を備えるものであり、
前記貴金属がPtとAuであり、
前記検知電極を構成する貴金属粒子の表面のうち前記Ptが露出している部分に対する前記Auが被覆している部分の面積比率であるAu存在比が0.4以上であり、
前記センサ素子を前記被測定ガス中に配置し、かつ前記ヒータによって前記センサ素子を450℃以上700℃未満の素子制御温度に加熱した状態で、前記検知電極と前記基準電極との間に生じる電位差に基づいて、前記アンモニアガスの濃度を求める、
ことを特徴とするアンモニアガスの濃度測定方法。 A method for measuring the concentration of ammonia gas in a gas to be measured using a mixed potential type gas sensor,
The gas sensor is
A sensor element comprising an oxygen ion conductive solid electrolyte as a constituent material;
A heater provided inside the sensor element for heating the sensor element;
With
The sensor element is
The surface is provided with a detection electrode composed of a cermet of a noble metal and a solid electrolyte having oxygen ion conductivity,
A reference electrode comprising a cermet of Pt and a solid electrolyte having oxygen ion conductivity,
It is equipped with
The noble metals are Pt and Au;
The Au abundance ratio, which is the area ratio of the portion covered with the Au to the portion where the Pt is exposed, of the surface of the noble metal particles constituting the detection electrode is 0.4 or more,
A potential difference generated between the detection electrode and the reference electrode in a state where the sensor element is disposed in the gas to be measured and the sensor element is heated to an element control temperature of 450 ° C. or higher and lower than 700 ° C. by the heater. Based on the above, obtain the concentration of the ammonia gas,
A method for measuring the concentration of ammonia gas.
前記素子制御温度を450℃以上650℃以下とする、
ことを特徴とするアンモニアガスの濃度測定方法。 A method for measuring the concentration of ammonia gas according to claim 14,
The element control temperature is set to 450 ° C. or higher and 650 ° C. or lower.
A method for measuring the concentration of ammonia gas.
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