JP6655515B2 - ガスセンサ - Google Patents
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Description
図1は、本発明の実施の形態の一例であるガスセンサ100の構成を概略的に示す断面模式図である。図1(a)は、ガスセンサ100の主たる構成要素であるセンサ素子101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101の長手方向に垂直な断面を含む図である。
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。
図2は、センサ素子101が電極蒸発抑止膜12を備えることによって実現される、検知電極10からのAuの蒸発抑制について説明する図である。図2(a)は、センサ素子101に電極蒸発抑止膜12を備えていないガスセンサ100を高温(例えば900℃程度)の被測定ガス雰囲気下に配置した場合の断面模式図であり、図2(b)は、センサ素子101に電極蒸発抑止膜12を備える本実施の形態に係るガスセンサ100についての同様の断面模式図である。ただし、説明の簡単のため、保護層50は省略している。また、いずれの場合においても、センサ素子101自体も内部に備わるヒータ72により400℃以上800℃以下の素子制御温度に加熱されてなる。
図3は、センサ素子101における電極蒸発抑止膜12のサイズ、形状、および配置のバリエーションを例示する図である。より具体的には、図3(a)、(b)、(c)、(d)、および(e)はそれぞれ、検知電極10の配置位置を同じとした場合の、電極蒸発抑止膜12の配置バリエーションを示すセンサ素子101の上面図である。ただし、保護層50は省略している。なお、いずれの場合も、電極蒸発抑止膜12の直下には、電極蒸発抑止膜12と平面形状が同じ絶縁層11が設けられているものとする。
次に、図1に例示する構成を例として、センサ素子101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に例示するセンサ素子101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。
上述したように、Pt−Au合金からなる電極蒸発抑止膜12をスクリーン印刷と共焼成によって形成する場合、Auの融点との兼ね合いから、Au組成は60wt%以下とするのが好ましいが、他の手法により形成する場合は、Au組成が60wt%を上回る電極蒸発抑止膜12の形成も可能である。具体的には、電極蒸発抑止膜12の形成を除いた積層体さらには焼成体の作製を行った後、かかる焼成体に対して電極蒸発抑止膜12を形成する態様が考えられる。例えば、電極蒸発抑止膜のパターンをスクリーン印刷によって形成し、再び焼成を行う、いわゆる2次焼成の手法が採用されてもよいし、めっきによって形成される態様であってもよい。
電極蒸発抑止膜12の形成にスクリーン印刷と共焼成の手法を用いたセンサ素子101の作製を試みた。具体的には、電極蒸発抑止膜12のAu組成比を100wt%、60wt%、50wt%、30wt%、10wt%の5水準に違え、かつ、電極蒸発抑止膜12の面積を3.9mm2、7.8mm2、15.6mm2の3水準に違えることで電極蒸発抑止膜12の配置態様をそれぞれ図3(a)、(b)、(c)に示す場合のようにした全15通りのセンサ素子101(No.1〜15)について、作製を試みた。ただし、保護層50の形成は省略した。
実施例1において電極蒸発抑止膜12が好適に形成されていることが確認されたNo.4〜15のセンサ素子101を用いてガスセンサ100を構成した。なお、保護カバー102の内径は7.5mmであった。得られたそれぞれのガスセンサ100について、加速劣化試験と当該試験前後での感度特性の評価を行い、その2つの感度特性の比較により、Auの蒸発抑制の程度(蒸発抑止度)を評価した。また、比較例として、電極蒸発抑止膜12を設けないガスセンサも作製し、同様に加速劣化試験と蒸発抑止度の評価を行った。
ガス雰囲気:O2=10%;
H2O=5%;
C2H4=0ppm、50ppm、70ppm、100ppm、200ppm、300ppm、500ppm、700ppm、または1000ppm;
N2=残余;
ガス流量:5L/min。
センサ素子101における検知電極10および電極蒸発抑止膜12の配置態様を実施例2とは違えるようにしたほかは実施例1および実施例2と同様に、4通りのガスセンサ100(No.16〜19)を作製した。得られたそれぞれのガスセンサ100について、実施例2と同様に加速劣化試験と当該試験前後での感度特性の評価を行い、蒸発抑止度を評価した。
センサ素子101に保護層50を設けるとともに、電極蒸発抑止膜12の配置態様を保護層50との関係で違えるようにしたほかは実施例1ないし実施例3と同様に、ガスセンサ100を作製した。得られたそれぞれのガスセンサ100について、実施例2および実施例3と同様に加速劣化試験と当該試験前後での感度特性の評価を行い、蒸発抑止度を評価した。
10 検知電極
11 絶縁層
12 電極蒸発抑止膜
50 保護層
51 先端保護膜
72 ヒータ
100 ガスセンサ
101 センサ素子
102 保護カバー
E1 (センサ素子の)先端部
E2 (センサ素子の)基端部
G 被測定ガス
H1 先端部ガス導入孔
H2 側部ガス導入孔
Claims (7)
- 被測定ガス中の所定ガス成分の濃度を測定するガスセンサであって、
酸素イオン伝導性の固体電解質を主たる構成材料とするセンサ素子と、
前記センサ素子の上に備わる、Pt−Au合金を含んで構成される少なくとも1つの外部電極と、
前記センサ素子と絶縁された状態でかつ前記少なくとも1つの外部電極と離隔させて前記センサ素子の上に設けられた、前記少なくとも1つの外部電極を構成するPt−Au合金以上のAu組成比のPt−Au合金、もしくはAuからなる電極蒸発抑止膜と、
前記センサ素子の前記少なくとも1つの外部電極と前記電極蒸発抑止膜とが設けられた部分が少なくとも内部に位置するように設けられ、かつ前記内部に前記被測定ガスが導入される保護カバーと、
を備えることを特徴とするガスセンサ。 - 請求項1に記載のガスセンサであって、
前記電極蒸発抑止膜が、前記少なくとも1つの外部電極よりもAu組成比が20wt%以上大きいPt−Au合金、もしくはAuからなる、
ことを特徴とするガスセンサ。 - 請求項1または請求項2に記載のガスセンサであって、
前記センサ素子の上に形成された絶縁層、
をさらに備え、
前記電極蒸発抑止膜が、前記絶縁層に積層されてなる、
ことを特徴とするガスセンサ。 - 請求項3に記載のガスセンサであって、
前記絶縁層と前記少なくとも1つの外部電極とが前記センサ素子の同一の面上に形成されてなる、
ことを特徴とするガスセンサ。 - 請求項4に記載のガスセンサであって、
前記電極蒸発抑止膜と前記少なくとも1つの外部電極とを被覆する多孔質かつ絶縁性の保護層、
をさらに備えることを特徴とするガスセンサ。 - 請求項1または請求項2に記載のガスセンサであって、
前記少なくとも1つの外部電極を被覆する多孔質の保護層、
をさらに備え、
前記電極蒸発抑止膜が前記保護層に積層されている、
ことを特徴とするガスセンサ。 - 請求項1ないし請求項6のいずれかに記載のガスセンサであって、
前記センサ素子が、
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、
をさらに備え、
前記少なくとも1つの外部電極が、Pt−Au合金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であり、
前記検知電極と前記基準電極との間の電位差に基づいて、前記所定ガス成分の濃度を求める、
ことを特徴とするガスセンサ。
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