JP7070517B2 - Gas sensor element and gas sensor - Google Patents

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Description

本発明は、ガスセンサ素子およびガスセンサに関する。 The present invention relates to a gas sensor element and a gas sensor.

従来、内燃機関の排気管に配置されるガスセンサとしては、例えば、酸素イオン伝導性を有するジルコニア質の固体電解質より構成される固体電解質体と、被測定ガス中の特定ガスの濃度を検出するための検出電極と、固体電解質体の他方面に設けられ、基準ガスに曝される基準電極とを備えたガスセンサ素子、当該ガスセンサ素子を用いたガスセンサが知られている。 Conventionally, as a gas sensor arranged in the exhaust pipe of an internal combustion engine, for example, in order to detect a solid electrolyte composed of a zirconia solid electrolyte having oxygen ion conductivity and a concentration of a specific gas in the gas to be measured. A gas sensor element provided with the detection electrode of the above and a reference electrode provided on the other surface of the solid electrolyte body and exposed to the reference gas, and a gas sensor using the gas sensor element are known.

例えば、特許文献1には、検出電極が、貴金属より構成される貴金属領域と、固体電解質より構成される固体電解質領域と、貴金属と固体電解質とが混在する混在領域とを有するガスセンサ素子、当該ガスセンサ素子を用いたガスセンサが開示されている。同文献において、ガスセンサは、自身に内蔵したガスセンサ素子により、被測定ガスのNOx濃度を測定するように構成されている。上記貴金属としては、NOx分解性の高い、白金(Pt)およびロジウム(Rh)を少なくとも含む貴金属が用いられている。 For example, in Patent Document 1, a gas sensor element having a detection electrode having a noble metal region composed of a noble metal, a solid electrolyte region composed of a solid electrolyte, and a mixed region in which a noble metal and a solid electrolyte are mixed, the gas sensor. A gas sensor using an element is disclosed. In the same document, the gas sensor is configured to measure the NOx concentration of the gas to be measured by a gas sensor element built in the gas sensor. As the noble metal, a noble metal containing at least platinum (Pt) and rhodium (Rh) having high NOx decomposability is used.

特開2018-100879号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2018-100879

上述した混在領域を有する検出電極を備えたガスセンサ素子では、混在領域においてロジウムの偏在が生じると、偏在したロジウムが酸素イオン(O2-イオン)の移動に影響を及ぼし、電荷が溜まりやすくなる。つまり、検出電極の電極容量が大きくなる。検出電極の電極容量が増大すると、電流のノイズが大きくなり、静的な検出精度が低下する。また、電流のヒステリシスも大きくなり、NOx濃度の急変などの過渡的な挙動時における動的な検出精度が低下する。 In the gas sensor element provided with the detection electrode having the mixed region described above, when rhodium is unevenly distributed in the mixed region, the unevenly distributed rhodium affects the movement of oxygen ions (O2 - ions), and charges tend to be accumulated. That is, the electrode capacitance of the detection electrode becomes large. As the electrode capacitance of the detection electrode increases, the noise of the current increases and the static detection accuracy decreases. In addition, the hysteresis of the current also increases, and the dynamic detection accuracy during transient behavior such as a sudden change in NOx concentration decreases.

本発明は、かかる課題に鑑みてなされたものであり、検出電極の電極容量を低減することが可能なガスセンサ素子、また、これを用いたガスセンサを提供しようとするものである。 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 element capable of reducing the electrode capacitance of a detection electrode, and a gas sensor using the gas sensor element.

本発明の一態様は、酸素イオン伝導性を有するジルコニア質の固体電解質より構成される固体電解質体(26)と、
上記固体電解質体の一方面に設けられ、被測定ガス(G)中の特定ガスの濃度を検出するための検出電極(220)と、
上記固体電解質体の他方面に設けられ、基準ガス(A)に曝される基準電極(27)と、を備えたガスセンサ素子(2)であって、
上記検出電極は、白金およびロジウムを少なくとも含む貴金属より構成される貴金属領域(221)と、上記固体電解質より構成される固体電解質領域(222)と、上記貴金属と上記固体電解質とが混在する混在領域(223)とを有しており、
上記混在領域の幅dと、上記混在領域全体に対する、上記混在領域における上記ロジウムが偏在するロジウム偏在部の割合Lとで表されるd-L直交座標系において、上記検出電極の電極容量が所定値となるときの上記混在領域の幅dと上記ロジウム偏在部の割合Lとの相関を表す曲線を相関曲線(R)として定義したとき、
上記検出電極は、上記混在領域の幅dと上記ロジウム偏在部の割合Lとが上記電極容量が300μFとなるときの上記相関曲線より下側の領域にある、
ガスセンサ素子(2)にある。
One aspect of the present invention is a solid electrolyte body (26) composed of a zirconia solid electrolyte having oxygen ion conductivity.
A detection electrode (220) provided on one surface of the solid electrolyte body for detecting the concentration of the specific gas in the gas to be measured (G), and
A gas sensor element (2) provided on the other surface of the solid electrolyte body and provided with a reference electrode (27) exposed to the reference gas (A).
The detection electrode has a noble metal region (221) composed of a noble metal containing at least platinum and rhodium, a solid electrolyte region (222) composed of the solid electrolyte, and a mixed region in which the noble metal and the solid electrolyte coexist. Has (223) and
The electrode capacitance of the detection electrode is predetermined in the dL Cartesian coordinate system represented by the width d of the mixed region and the ratio L of the rhodium unevenly distributed portion in the mixed region in which the rhodium is unevenly distributed to the entire mixed region. When the curve representing the correlation between the width d of the mixed region and the ratio L of the rhodium uneven distribution portion when it becomes a value is defined as the correlation curve (R),
The detection electrode is located in a region below the correlation curve when the width d of the mixed region and the ratio L of the rhodium uneven distribution portion are 300 μF.
It is in the gas sensor element (2).

本発明の他の態様は、上記ガスセンサ素子を有するガスセンサ(1)にある。 Another aspect of the present invention is the gas sensor (1) having the gas sensor element.

上記ガスセンサ素子は、上記構成を有する。そのため、上記ガスセンサ素子は、検出電極の電極容量を低減することができる。 The gas sensor element has the above configuration. Therefore, the gas sensor element can reduce the electrode capacitance of the detection electrode.

上記ガスセンサは、検出電極の電極容量を低減可能な上記ガスセンサ素子を有する。そのため、上記ガスセンサは、検出電極の電極容量の低減により電流のノイズやヒステリシスが抑制され、被測定ガス中の特定ガスの濃度を高精度に検出することが可能になる。 The gas sensor has the gas sensor element capable of reducing the electrode capacitance of the detection electrode. Therefore, the gas sensor suppresses current noise and hysteresis by reducing the electrode capacitance of the detection electrode, and can detect the concentration of the specific gas in the gas to be measured with high accuracy.

なお、特許請求の範囲および課題を解決する手段に記載した括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものであり、本発明の技術的範囲を限定するものではない。 The reference numerals in parentheses described in the scope of claims and the means for solving the problem indicate the correspondence with the specific means described in the embodiments described later, and limit the technical scope of the present invention. It's not a thing.

図1は、実施形態に係るガスセンサ素子を有する実施形態のガスセンサの断面図である。FIG. 1 is a cross-sectional view of a gas sensor of the embodiment having the gas sensor element according to the first embodiment. 図2は、実施形態に係るガスセンサ素子の詳細構成を示す断面図であり、(a)は、ガスセンサ素子の長手方向に沿うa-a線矢視断面図、(b)は、b-b線矢視断面図、(c)は、ガスセンサ素子の長手方向に垂直なc-c線矢視断面図である。2A and 2B are cross-sectional views showing a detailed configuration of the gas sensor element according to the first embodiment, FIG. 2A is a cross-sectional view taken along the line aa along the longitudinal direction of the gas sensor element, and FIG. The cross-sectional view taken along the line is a cross-sectional view taken along the line cc perpendicular to the longitudinal direction of the gas sensor element. 図3は、実施形態に係るガスセンサ素子における検出電極の微細構造を模式的に示した説明図である。FIG. 3 is an explanatory diagram schematically showing the fine structure of the detection electrode in the gas sensor element according to the first embodiment. 図4は、図3にて四角で囲った部位Fを拡大して模式的に示した説明図である。FIG. 4 is an explanatory diagram schematically showing an enlarged portion F surrounded by a square in FIG. 図5は、混在領域の幅dの測定方法について説明するための説明図である。FIG. 5 is an explanatory diagram for explaining a method of measuring the width d of the mixed region. 図6は、ロジウム偏在部の割合Lの測定方法を説明するための説明図であり、(a)は、混在領域のSTEM像、(b)は、混在領域におけるZr元素のEDSマッピング像、(c)は、混在領域におけるPt元素のEDSマッピング像、(d)は、混在領域におけるRh元素のEDSマッピング像の一例である。6A and 6B are explanatory views for explaining a method for measuring the ratio L of the rhodium uneven distribution portion, in which FIG. 6A is a STEM image of a mixed region, and FIG. 6B is an EDS mapping image of Zr element in the mixed region. c) is an example of an EDS mapping image of Pt element in the mixed region, and (d) is an example of an EDS mapping image of Rh element in the mixed region. 図7は、d-L直交座標系における、検出電極の電極容量が所定値となるときの混在領域の幅dとロジウム偏在部の割合Lとの相関を表す相関曲線について説明するための説明図である。FIG. 7 is an explanatory diagram for explaining a correlation curve showing the correlation between the width d of the mixed region and the ratio L of the rhodium uneven distribution portion when the electrode capacitance of the detection electrode becomes a predetermined value in the dL Cartesian coordinate system. Is. 図8は、検出電極の電極容量を測定する際の検出電極の等価回路モデルを示した説明図である。 FIG. 8 is an explanatory diagram showing an equivalent circuit model of the detection electrode when measuring the electrode capacitance of the detection electrode. 図9は、検出電極の電極容量を測定する際のCole-Coleプロット線図を模式的に示した説明図である。 FIG. 9 is an explanatory diagram schematically showing a Core-Cole plot diagram when measuring the electrode capacitance of the detection electrode. 図10は、検出電極の電極容量を測定する際のBode線図を模式的に示した説明図である。 FIG. 10 is an explanatory diagram schematically showing a Bode diagram when measuring the electrode capacitance of the detection electrode. 図11は、実験例にて得られた、混在領域の幅d(nm)とロジウム偏在部の割合L(%)との関係を示した図である。 FIG. 11 is a diagram showing the relationship between the width d (nm) of the mixed region and the ratio L (%) of the rhodium uneven distribution portion obtained in the experimental example. 図12は、実験例にて得られた、検出電極の電極容量(μF)とNOx出力ノイズ(ppm)との関係を示した図である。 FIG. 12 is a diagram showing the relationship between the electrode capacitance (μF) of the detection electrode and the NOx output noise (ppm) obtained in the experimental example. 図13は、実験例にて得られた、混在領域の幅d(nm)と検出電極の電極反応抵抗(Ω)との関係を示した図である。 FIG. 13 is a diagram showing the relationship between the width d (nm) of the mixed region and the electrode reaction resistance (Ω) of the detection electrode obtained in the experimental example. 図14は、実験例にて得られた、混在領域の幅d(nm)とロジウム偏在部の割合L(%)との関係において、混在領域の幅d=30nmのラインを示した図である。 FIG. 14 is a diagram showing a line of the width d of the mixed region = 30 nm in the relationship between the width d (nm) of the mixed region and the ratio L (%) of the rhodium uneven distribution portion obtained in the experimental example. ..

本実施形態のガスセンサ素子は、酸素イオン伝導性を有するジルコニア質の固体電解質より構成される固体電解質体と、固体電解質体の一方面に設けられ、被測定ガス中の特定ガスの濃度を検出するための検出電極と、固体電解質体の他方面に設けられ、基準ガスに曝される基準電極と、を備えている。検出電極は、白金(Pt)およびロジウム(Rh)を少なくとも含む貴金属より構成される貴金属領域と、固体電解質より構成される固体電解質領域と、貴金属と固体電解質とが混在する混在領域とを有している。 The gas sensor element of the present embodiment is provided on one surface of a solid electrolyte composed of a zirconia solid electrolyte having oxygen ion conductivity and a solid electrolyte, and detects the concentration of a specific gas in the gas to be measured. It is provided with a detection electrode for the purpose and a reference electrode provided on the other surface of the solid electrolyte body and exposed to the reference gas. The detection electrode has a noble metal region composed of a noble metal containing at least platinum (Pt) and rhodium (Rh), a solid electrolyte region composed of a solid electrolyte, and a mixed region in which the noble metal and the solid electrolyte are mixed. ing.

ここで、混在領域の幅dと、混在領域全体に対する、混在領域におけるロジウムが偏在するロジウム偏在部の割合Lとで定義されるd-L直交座標系において、検出電極の電極容量が所定値となるときの混在領域の幅dとロジウム偏在部の割合Lとの相関を表す曲線を相関曲線として定義する。検出電極は、混在領域の幅dとロジウム偏在部の割合Lとが上記相関曲線より下側の領域にある。 Here, in the dL Cartesian coordinate system defined by the width d of the mixed region and the ratio L of the rhodium unevenly distributed portion where rhodium is unevenly distributed in the mixed region to the entire mixed region, the electrode capacitance of the detection electrode is a predetermined value. A curve showing the correlation between the width d of the mixed region and the ratio L of the rhodium uneven distribution portion is defined as a correlation curve. In the detection electrode, the width d of the mixed region and the ratio L of the rhodium uneven distribution portion are in the region below the correlation curve .

本実施形態のガスセンサ素子は、混在領域の幅dとロジウム偏在部の割合Lとが、検出電極の電極容量が所定値となる相関曲線より下側の領域にあるので、検出電極の電極容量を低減することができる。これは以下の理由によるものと考えらえる。 In the gas sensor element of the present embodiment, since the width d of the mixed region and the ratio L of the rhodium uneven distribution portion are in the region below the correlation curve in which the electrode capacitance of the detection electrode is a predetermined value, the electrode capacitance of the detection electrode is present. Can be reduced. This can be considered to be due to the following reasons.

PtおよびRhを少なくとも含む貴金属を用いた検出電極は、2種以上の金属元素を含有している。このような検出電極では、貴金属領域と固体電解質領域との界面における混在領域の生成時に、各金属元素の拡散速度差に起因して各金属元素の分離が生じうる。とりわけ、分離した各金属元素のうちRhが偏在してなるロジウム偏在部は、混在領域の生成過程においてZrOの還元によって生じたZrの再酸化を阻害する。つまり、ロジウム偏在部が多くなると、再酸化時にRhが優先的に酸化され、Zrの再酸化が阻害される。その結果、混在領域中にZrが残って酸素イオンが移動しなくなり、検出電極の電極容量が増加する。しかし、検出電極における混在領域の幅dとロジウム偏在部の割合Lとの関係が上述のように設定されている場合には、ロジウム偏在部の割合が少なくなることにより、混在領域の生成過程においてZrOの還元によって生じたZrが再酸化されやすくなる。そのため、本実施形態のガスセンサ素子によれば、検出電極の電極容量の低減を図ることが可能になる。 A detection electrode using a noble metal containing at least Pt and Rh contains two or more kinds of metal elements. In such a detection electrode, separation of each metal element may occur due to the difference in diffusion rate of each metal element at the time of forming a mixed region at the interface between the noble metal region and the solid electrolyte region. In particular, the rhodium uneven distribution portion in which Rh is unevenly distributed among the separated metal elements inhibits the reoxidation of Zr generated by the reduction of ZrO 2 in the process of forming the mixed region. That is, when the rhodium uneven distribution portion increases, Rh is preferentially oxidized at the time of reoxidation, and the reoxidation of Zr is inhibited. As a result, Zr remains in the mixed region and oxygen ions do not move, and the electrode capacity of the detection electrode increases. However, when the relationship between the width d of the mixed region and the ratio L of the rhodium uneven distribution portion in the detection electrode is set as described above, the ratio of the rhodium uneven distribution portion is reduced, so that in the process of forming the mixed region. Zr produced by the reduction of ZrO 2 is easily reoxidized. Therefore, according to the gas sensor element of the present embodiment, it is possible to reduce the electrode capacitance of the detection electrode.

本実施形態のガスセンサは、検出電極の電極容量を低減可能な本実施形態のガスセンサ素子を有する。そのため、本実施形態のガスセンサは、検出電極の電極容量の低減により電流のノイズやヒステリシスが抑制され、被測定ガス中の特定ガスの濃度を高精度に検出することが可能になる。 The gas sensor of the present embodiment has the gas sensor element of the present embodiment capable of reducing the electrode capacitance of the detection electrode. Therefore, in the gas sensor of the present embodiment, the noise and hysteresis of the current are suppressed by reducing the electrode capacitance of the detection electrode, and the concentration of the specific gas in the gas to be measured can be detected with high accuracy.

以下、本実施形態のガスセンサ素子およびガスセンサの具体例について、図面を用いて詳細に説明する。なお、本実施形態のガスセンサ素子およびガスセンサは、以下の例示によって限定されるものではない。 Hereinafter, specific examples of the gas sensor element and the gas sensor of the present embodiment will be described in detail with reference to the drawings. The gas sensor element and the gas sensor of the present embodiment are not limited by the following examples.

実施形態1のガスセンサ素子およびガスセンサについて、図1~図10を用いて説明する。図1に例示されるように、ガスセンサ1は、ガスセンサ素子2を有する。実施形態1のガスセンサ1は、例えば、窒素酸化物(NOx)の量を検出するNOxセンサとすることができる。このようなガスセンサ1は、例えば、内燃機関において排ガスが流れる排気管に配置されて使用される。被測定ガスGは、排ガスであり、濃度を検出する対象である特定ガスは、NOxである。以下、被測定ガスG中の特定ガスがNOxであることを前提として説明する。ただし、検出対象である特定ガスはNOxに限定されず、固体電解質体や電極の構成材料に適切な元素を選択することにより、例えば、アンモニアやその他のガスを検出するガスセンサとして実施することができる。 The gas sensor element and the gas sensor of the first embodiment will be described with reference to FIGS. 1 to 10. As illustrated in FIG. 1, the gas sensor 1 has a gas sensor element 2. The gas sensor 1 of the first embodiment can be, for example, a NOx sensor that detects the amount of nitrogen oxides (NOx). Such a gas sensor 1 is arranged and used in an exhaust pipe through which exhaust gas flows, for example, in an internal combustion engine. The gas to be measured G is an exhaust gas, and the specific gas whose concentration is to be detected is NOx. Hereinafter, the description will be made on the premise that the specific gas in the measured gas G is NOx. However, the specific gas to be detected is not limited to NOx, and can be implemented as, for example, a gas sensor for detecting ammonia or other gas by selecting an appropriate element for the constituent material of the solid electrolyte or the electrode. ..

図1に例示されるように、ガスセンサ1は、車両において内燃機関の排気通路に設置される。ガスセンサ1には、排気通路を流通する排ガスが被測定ガスGとして導入される。これによりガスセンサ1は、自身に内蔵したガスセンサ素子2により、被測定ガスGのNOx濃度を測定する。ガスセンサ1は、具体的には、ガスセンサ素子2に加え、センサハウジング101、絶縁碍子102、素子カバー103A、103B、103C、センサハーネス104を含んで構成されている。図1では、センサハーネス104にセンサ制御回路105が接続されている例が示されている。なお、図1におけるYは、ガスセンサ素子2の内部にて被測定ガスGの流通するガス流れ方向を示している。 As illustrated in FIG. 1, the gas sensor 1 is installed in the exhaust passage of an internal combustion engine in a vehicle. Exhaust gas flowing through the exhaust passage is introduced into the gas sensor 1 as the measured gas G. As a result, the gas sensor 1 measures the NOx concentration of the gas G to be measured by the gas sensor element 2 built therein. Specifically, the gas sensor 1 includes a sensor housing 101, an insulating insulator 102, element covers 103A, 103B, 103C, and a sensor harness 104 in addition to the gas sensor element 2. FIG. 1 shows an example in which the sensor control circuit 105 is connected to the sensor harness 104. Note that Y in FIG. 1 indicates the gas flow direction in which the gas to be measured G flows inside the gas sensor element 2.

センサハウジング101は、絶縁碍子102を介してガスセンサ素子2を内部に保持している。素子カバー103A、103B、103Cは、センサハウジング101に固定されている。素子カバー103A、103Bは、ガスセンサ素子2のうちガス流れ方向Yの上流側素子端部10aの外周側を覆っている。素子カバー103A、103Bは、内部に収容した上流側素子端部10aへ排気管からの排ガスを被測定ガスGとして導入するために、ガス導入孔103a、103bを有している。素子カバー103Cは、ガスセンサ素子2のうちガス流れ方向Yの下流側素子端部10bの外周側を覆っている。素子カバー103Cは、内部に収容した下流側素子端部10bへ基準ガスAとしての大気を導入するために、大気導入孔103cを有している。センサハーネス104は、素子カバー103Cの内外に跨って複数設けられている。センサ制御回路105は、センサハウジング101および素子カバー103Cの外部にて、複数のセンサハーネス104を介してガスセンサ素子2と接続されている。なお、実施形態1におけるセンサ制御回路105は、後述の検出セル22、モニタセル23、および、ポンプセル24への電圧の供給を制御する。 The sensor housing 101 holds the gas sensor element 2 inside via the insulating insulator 102. The element covers 103A, 103B, and 103C are fixed to the sensor housing 101. The element covers 103A and 103B cover the outer peripheral side of the upstream element end portion 10a of the gas sensor element 2 in the gas flow direction Y. The element covers 103A and 103B have gas introduction holes 103a and 103b for introducing the exhaust gas from the exhaust pipe as the measured gas G into the upstream element end portion 10a housed therein. The element cover 103C covers the outer peripheral side of the downstream element end portion 10b of the gas sensor element 2 in the gas flow direction Y. The element cover 103C has an atmosphere introduction hole 103c for introducing the atmosphere as the reference gas A into the downstream element end portion 10b housed therein. A plurality of sensor harnesses 104 are provided across the inside and outside of the element cover 103C. The sensor control circuit 105 is connected to the gas sensor element 2 via a plurality of sensor harnesses 104 outside the sensor housing 101 and the element cover 103C. The sensor control circuit 105 in the first embodiment controls the supply of voltage to the detection cell 22, the monitor cell 23, and the pump cell 24, which will be described later.

次に、ガスセンサ素子2の詳細構成について説明する。図2に例示されるように、ガスセンサ素子2は、測定ガス室20と、基準ガス室21と、検出セル22と、モニタセル23と、ポンプセル24と、ヒータ25と、を備えている。ガスセンサ素子2は、ヒータ25、後述の固体電解質体26、および、絶縁層2が積層されて構成されている。測定ガス室20は、固体電解質体26と絶縁層2とに囲まれた空間として形成され、基準ガス室21は、ヒータ25と固体電解質体26とに囲まれた空間として形成されている。以下、ガスセンサ素子2の各要素について詳説する。 Next, the detailed configuration of the gas sensor element 2 will be described. As illustrated in FIG. 2, the gas sensor element 2 includes a measurement gas chamber 20, a reference gas chamber 21, a detection cell 22, a monitor cell 23, a pump cell 24, and a heater 25. The gas sensor element 2 is configured by laminating a heater 25, a solid electrolyte body 26 described later, and an insulating layer 28. The measurement gas chamber 20 is formed as a space surrounded by the solid electrolyte body 26 and the insulating layer 28 , and the reference gas chamber 21 is formed as a space surrounded by the heater 25 and the solid electrolyte body 26. Hereinafter, each element of the gas sensor element 2 will be described in detail.

測定ガス室20は、被測定ガスGとしての排ガスが導入される空間である。測定ガス室20は、固体電解質体26と絶縁層2とにより挟まれた空間として形成されている。絶縁層2は、板状であり、第1スペーサ201を介して板状の固体電解質体26上に積層されている。固体電解質体26を正面視したとき、第1スペーサ201は、一辺が開口したC字状をなし、これによって測定ガス室20は、一部が開口した箱状となっている。開口した部分が排ガスの導入口202とされる。本実施形態における導入口202には、拡散抵抗体203が配置され、排ガスは、拡散抵抗体203を通過して測定ガス室20内に導入される。したがって、排ガスは、拡散抵抗体203によって所定の拡散抵抗下で測定ガス室20に導入されることになる。 The measurement gas chamber 20 is a space into which the exhaust gas as the gas to be measured G is introduced. The measurement gas chamber 20 is formed as a space sandwiched between the solid electrolyte body 26 and the insulating layer 28 . The insulating layer 28 is plate-shaped and is laminated on the plate-shaped solid electrolyte body 26 via the first spacer 201. When the solid electrolyte body 26 is viewed from the front, the first spacer 201 has a C shape with one side open, whereby the measurement gas chamber 20 has a box shape with a part open. The opened portion is referred to as an exhaust gas introduction port 202. A diffusion resistor 203 is arranged at the introduction port 202 in the present embodiment, and the exhaust gas passes through the diffusion resistor 203 and is introduced into the measurement gas chamber 20. Therefore, the exhaust gas is introduced into the measurement gas chamber 20 by the diffusion resistor 203 under a predetermined diffusion resistance.

固体電解質体26は、酸素イオン伝導性を有するジルコニア質の固体電解質より構成される。固体電解質としては、具体的には、例えば、イットリア安定化ジルコニア(YSZ)などを採用することができる。固体電解質としては、他にも、例えば、酸化カルシウム安定化ジルコニアや、アルミナ安定化ジルコニアなどを採用することもできる。なお、上述した絶縁層2、および、第1スペーサ201には、アルミナやその他一般に知られた絶縁体を採用することができる。 The solid electrolyte body 26 is composed of a zirconia solid electrolyte having oxygen ion conductivity. Specifically, for example, yttria-stabilized zirconia (YSZ) or the like can be adopted as the solid electrolyte. As the solid electrolyte, for example, calcium oxide-stabilized zirconia, alumina-stabilized zirconia, or the like can also be adopted. Alumina and other generally known insulators can be used for the above-mentioned insulating layer 28 and the first spacer 201.

基準ガス室21は、特定ガスであるNOxの濃度を算出するための基準電位を生成するための基準ガスAが導入される空間である。基準ガス室21には、基準ガスAとして、例えば、大気が導入される。基準ガス室21は、ヒータ25と固体電解質体26とにより挟まれた空間として形成されている。固体電解質体26は、第2スペーサ211を介して板状に形成されたヒータ25上に積層されている。固体電解質体26を正面視したとき、第2スペーサ211は、拡散抵抗体203が形成された側に形成され、基準ガスAの導入口(図示されない)は、測定ガス室20の導入口202とは反対側に開口するようになっている。 The reference gas chamber 21 is a space into which the reference gas A for generating a reference potential for calculating the concentration of NOx, which is a specific gas, is introduced. For example, the atmosphere is introduced into the reference gas chamber 21 as the reference gas A. The reference gas chamber 21 is formed as a space sandwiched between the heater 25 and the solid electrolyte body 26. The solid electrolyte body 26 is laminated on the heater 25 formed in a plate shape via the second spacer 211. When the solid electrolyte body 26 is viewed from the front, the second spacer 211 is formed on the side where the diffusion resistor 203 is formed, and the introduction port (not shown) of the reference gas A is the introduction port 202 of the measurement gas chamber 20. Is designed to open on the opposite side.

固体電解質体26は、測定ガス室20と基準ガス室21とを隔てるように形成されており、測定ガス室20および基準ガス室21のいずれにも露出している。これにより、ガスセンサ1では、排ガス中のNOx濃度と大気中のNOx濃度との差に応じて固体電解質体26内を酸素イオンが移動してセンサ電流が生じるようになっている。 The solid electrolyte body 26 is formed so as to separate the measurement gas chamber 20 and the reference gas chamber 21, and is exposed to both the measurement gas chamber 20 and the reference gas chamber 21. As a result, in the gas sensor 1, oxygen ions move in the solid electrolyte body 26 according to the difference between the NOx concentration in the exhaust gas and the NOx concentration in the atmosphere, and a sensor current is generated.

検出セル22は、検出電極220と、固体電解質体26と、基準電極27とを有している。検出電極220は、固体電解質体26における測定ガス室20に露出した一方面に形成されている。一方、基準電極27は、固体電解質体26における基準ガス室21に露出した一方面に形成されている。つまり、検出セル22において、固体電解質体26は、検出電極220と基準電極27とに挟まれている。なお、後述するモニタセル23およびポンプセル24も、固体電解質体26および基準電極27を構成要素として含むが、実施形態1においては、検出セル22、モニタセル23、および、ポンプセル24は、固体電解質体26および基準電極27を共有している。 The detection cell 22 has a detection electrode 220, a solid electrolyte body 26, and a reference electrode 27. The detection electrode 220 is formed on one side exposed to the measurement gas chamber 20 in the solid electrolyte body 26. On the other hand, the reference electrode 27 is formed on one side exposed to the reference gas chamber 21 in the solid electrolyte body 26. That is, in the detection cell 22, the solid electrolyte body 26 is sandwiched between the detection electrode 220 and the reference electrode 27. The monitor cell 23 and the pump cell 24, which will be described later, also include the solid electrolyte body 26 and the reference electrode 27 as components, but in the first embodiment, the detection cell 22, the monitor cell 23, and the pump cell 24 are the solid electrolyte body 26 and the pump cell 24. The reference electrode 27 is shared.

検出電極220は、白金(Pt)とロジウム(Rh)とを含む貴金属と、固体電解質体26を構成する固体電解質と同組成の固体電解質とを含んでいる。つまり、検出電極220は、触媒として作用する白金およびロジウムと、酸素イオン伝導性を有するジルコニア質の固体電解質とを含んで構成される電極である。検出電極220に含まれる固体電解質は、検出セル22を構成する固体電解質体26と一体的に結合され、互いの間でイオン伝導が可能な状態になっている。測定ガス室20に導入された排ガス中に含まれるNOxは、露出した貴金属の表面に吸着し、触媒作用により窒素イオンと酸素イオンとに電離する。このうち、酸素イオンが検出電極220に含まれる固体電解質内を伝導する。この電荷はさらに固体電解質体26に伝導し、これがセンサ電流として検出される。そして、センサ電流の大きさに基づいてNOxの濃度が検出される。なお、検出電極220の詳細な微細構造については、後述する。 The detection electrode 220 contains a noble metal containing platinum (Pt) and rhodium (Rh), and a solid electrolyte having the same composition as the solid electrolyte constituting the solid electrolyte body 26. That is, the detection electrode 220 is an electrode composed of platinum and rhodium acting as catalysts and a zirconia solid electrolyte having oxygen ion conductivity. The solid electrolyte contained in the detection electrode 220 is integrally coupled with the solid electrolyte 26 constituting the detection cell 22, and is in a state where ion conduction is possible between the solid electrolytes. NOx contained in the exhaust gas introduced into the measurement gas chamber 20 is adsorbed on the surface of the exposed noble metal and is ionized into nitrogen ions and oxygen ions by catalytic action. Of these, oxygen ions conduct in the solid electrolyte contained in the detection electrode 220. This charge is further conducted to the solid electrolyte body 26, which is detected as a sensor current. Then, the concentration of NOx is detected based on the magnitude of the sensor current. The detailed fine structure of the detection electrode 220 will be described later.

モニタセル23は、モニタ電極230と、固体電解質体26と、基準電極27とを有している。上記したように、モニタセル23は、固体電解質体26と基準電極27とを検出セル22と共有している。モニタ電極230は、固体電解質体26における測定ガス室20に露出した一方面に形成されている。モニタ電極230は、例えば、白金(Pt)と金(Au)とを含む電極であり、NOxを分解する能力を有しないものの、酸素分子を分解可能であり、酸素イオンに起因する電流が流れるようになっている。 The monitor cell 23 has a monitor electrode 230, a solid electrolyte body 26, and a reference electrode 27. As described above, the monitor cell 23 shares the solid electrolyte body 26 and the reference electrode 27 with the detection cell 22. The monitor electrode 230 is formed on one side exposed to the measurement gas chamber 20 in the solid electrolyte body 26. The monitor electrode 230 is, for example, an electrode containing platinum (Pt) and gold (Au), and although it does not have the ability to decompose NOx, it can decompose oxygen molecules so that a current caused by oxygen ions flows. It has become.

モニタ電極230は、導入口20から検出セル22へ流れる排ガスの流束方向に対して直交する方向において、検出電極220と隣り合って形成されている。すなわち、測定ガス室20内に均一に導入される排ガスの流束に対して、検出電極220とモニタ電極230とは等価の曝露条件下にある。モニタセル23は、ポンプセル24によって酸素濃度が調整された後における、排ガス中に含まれる残留酸素の濃度を検出する。具体的には、モニタセル23は、残留酸素に起因して生じる固体電解質体26を流れる電流を検出する。このガスセンサ素子2では、検出セル22の出力から、モニタセル23の出力を減算することにより、残留酸素に起因する検出セル22の出力のオフセットをキャンセルしてNOxの濃度を検出することができるようになっている。 The monitor electrode 230 is formed adjacent to the detection electrode 220 in a direction orthogonal to the flux direction of the exhaust gas flowing from the introduction port 202 to the detection cell 22. That is, the detection electrode 220 and the monitor electrode 230 are under equivalent exposure conditions with respect to the flux of the exhaust gas uniformly introduced into the measurement gas chamber 20. The monitor cell 23 detects the concentration of residual oxygen contained in the exhaust gas after the oxygen concentration is adjusted by the pump cell 24. Specifically, the monitor cell 23 detects the current flowing through the solid electrolyte 26 caused by the residual oxygen. In this gas sensor element 2, by subtracting the output of the monitor cell 23 from the output of the detection cell 22, the offset of the output of the detection cell 22 due to the residual oxygen can be canceled and the concentration of NOx can be detected. It has become.

ポンプセル24は、検出セル22およびモニタセル23に対して、排ガスの導入において上流に位置している。ポンプセル24は、ポンプ電極240と、固体電解質体26と、基準電極27とを有している。ポンプ電極240は、固体電解質体26における測定ガス室20に露出した一方面に形成されている。ポンプ電極240は、モニタ電極230と同様に白金(Pt)と金(Au)とを含む電極であり、酸素を還元して酸素イオンを生じさせる。酸素イオンは、固体電解質体26を伝導して基準電極27側に移動し、基準ガス室21に排出される。このように、ポンプセル24は、そのポンピング作用によって測定ガス室20内の酸素濃度を調整するセルである。つまり、ポンプセル24は、排ガスの流れに対して上流側において排ガス中の酸素濃度を調整し、検出セル22およびモニタセル23は、酸素濃度が調整された後の排ガスに対して、NOxに起因する電流および残留酸素に起因する電流をそれぞれ出力する。 The pump cell 24 is located upstream of the detection cell 22 and the monitor cell 23 in introducing the exhaust gas. The pump cell 24 has a pump electrode 240, a solid electrolyte body 26, and a reference electrode 27. The pump electrode 240 is formed on one side exposed to the measurement gas chamber 20 in the solid electrolyte body 26. Like the monitor electrode 230, the pump electrode 240 is an electrode containing platinum (Pt) and gold (Au), and reduces oxygen to generate oxygen ions. Oxygen ions are conducted through the solid electrolyte body 26, move to the reference electrode 27 side, and are discharged to the reference gas chamber 21. As described above, the pump cell 24 is a cell that adjusts the oxygen concentration in the measurement gas chamber 20 by its pumping action. That is, the pump cell 24 adjusts the oxygen concentration in the exhaust gas on the upstream side with respect to the flow of the exhaust gas, and the detection cell 22 and the monitor cell 23 adjust the current caused by NOx with respect to the exhaust gas after the oxygen concentration is adjusted. And the current caused by residual oxygen is output respectively.

実施形態1におけるポンプセル24は、排ガス中に存在する物質を分解して還元ガスを発生させる機能を有している。具体的には、ポンプセル24は、排ガスに含まれる水分子を分解して水素ガスを発生させる。水素ガスは還元性を有し、ガスセンサ素子2の始動時にこの機能が用いられることにより、検出電極220に吸蔵される酸素を還元して除去する。 The pump cell 24 in the first embodiment has a function of decomposing a substance existing in the exhaust gas to generate a reducing gas. Specifically, the pump cell 24 decomposes water molecules contained in the exhaust gas to generate hydrogen gas. Hydrogen gas has a reducing property, and by using this function at the time of starting the gas sensor element 2, oxygen stored in the detection electrode 220 is reduced and removed.

ヒータ25は、固体電解質体26の温度を600℃以上の温度に維持して固体電解質として機能させるものである。ヒータ25は、セラミックス基板251の間に通電によって発熱する導体層252を設けて形成されている。導体層252は、各種電極220、230、240、27が形成される面を正面視したとき、固体電解質体26にオーバーラップするように形成されており、少なくとも各種電極220、230、240、27が形成される部分およびその近傍の温度を活性温度に維持できるようになっている。なお、ヒータ25により実現される固体電解質体26の温度分布は、要求される性能に応じて適宜設定されることができ、要求される温度分布に対応して導体層252の引き回しを設定することができる。 The heater 25 maintains the temperature of the solid electrolyte body 26 at a temperature of 600 ° C. or higher to function as a solid electrolyte. The heater 25 is formed by providing a conductor layer 252 that generates heat by energization between the ceramic substrates 251. The conductor layer 252 is formed so as to overlap the solid electrolyte body 26 when the surface on which the various electrodes 220, 230, 240, 27 are formed is viewed from the front, and at least the various electrodes 220, 230, 240, 27 are formed. It is possible to maintain the temperature of the portion where the is formed and its vicinity at the active temperature. The temperature distribution of the solid electrolyte body 26 realized by the heater 25 can be appropriately set according to the required performance, and the routing of the conductor layer 252 is set according to the required temperature distribution. Can be done.

次に、図3~図10を参照して、検出電極220の詳細な微細構造について説明する。 Next, the detailed fine structure of the detection electrode 220 will be described with reference to FIGS. 3 to 10.

図3~図6に例示されるように、検出電極220は、白金およびロジウムを少なくとも含む貴金属より構成される貴金属領域221と、固体電解質より構成される固体電解質領域222と、貴金属と固体電解質とが混在する混在領域223とを有している。また、図3に例示されるように、検出電極220は、気孔224を有している。実施形態1において、固体電解質領域222を構成する固体電解質は、具体的には、固体電解質体26を構成する固体電解質と同組成の固体電解質より構成されている。混在領域223は、具体的には、貴金属領域221と固体電解質領域222との界面Iに沿って形成されている。また、混在領域223は、具体的には、Pt-Rh合金とZrOとを含んで構成されることができる。 As illustrated in FIGS. 3 to 6, the detection electrode 220 includes a noble metal region 221 composed of a noble metal containing at least platinum and rhodium, a solid electrolyte region 222 composed of a solid electrolyte, and a noble metal and a solid electrolyte. Has a mixed region 223 in which the above is mixed. Further, as illustrated in FIG. 3, the detection electrode 220 has pores 224. In the first embodiment, the solid electrolyte constituting the solid electrolyte region 222 is specifically composed of a solid electrolyte having the same composition as the solid electrolyte constituting the solid electrolyte body 26. Specifically, the mixed region 223 is formed along the interface I between the noble metal region 221 and the solid electrolyte region 222. Further, the mixed region 223 can be specifically composed of a Pt—Rh alloy and ZrO 2 .

ここで、混在領域223の幅をdとする。混在領域223の幅dは、次のようにして測定される。図5に例示されるように、走査型電子顕微鏡(SEM)観察にて、検出電極220の厚み方向に沿う断面の反射電子像を5視野取得する。この際、観察倍率は100000倍とする。次いで、取得した各反射電子像について、混在領域223と貴金属領域221との界面I1と、混在領域223と固体電解質領域222との界面I2との間の最短距離を等間隔にてそれぞれ10箇所ずつ測定する。得られた5視野分の測定値(つまり、合計50箇所の測定値)の平均値が、混在領域223の幅d(nm)とされる。 Here, the width of the mixed region 223 is d. The width d of the mixed region 223 is measured as follows. As illustrated in FIG. 5, five visual fields of reflected electron images of a cross section along the thickness direction of the detection electrode 220 are acquired by observation with a scanning electron microscope (SEM). At this time, the observation magnification is 100,000 times. Next, for each acquired backscattered electron image, the shortest distance between the interface I1 between the mixed region 223 and the noble metal region 221 and the interface I2 between the mixed region 223 and the solid electrolyte region 222 is set at 10 points at equal intervals. taking measurement. The average value of the obtained measured values for the five visual fields (that is, the measured values at 50 points in total) is defined as the width d (nm) of the mixed region 223.

また、混在領域223全体に対する、混在領域223におけるロジウムが偏在するロジウム偏在部の割合をLとする。ロジウム偏在部の割合Lは、次のようにして測定される。走査透過型電子顕微鏡(STEM)、エネルギー分散型X線分析(EDS)装置を用い、検出電極220の厚み方向に沿う断面における混在領域223について、EDS点分析(測定範囲:直径10nm)を1視野(倍率:例えば、20万倍)あたり20点以上実施する。図6(a)に、混在領域のSTEM像の一例、図6(b)に、混在領域におけるZr元素のEDSマッピング像の一例、図6(c)に、混在領域におけるPt元素のEDSマッピング像の一例、図6(d)に、混在領域におけるRh元素のEDSマッピング像の一例を示す。なお、点分析する箇所は、例えば、画像の縦横それぞれに等間隔に8本のラインを引き、混在領域223内におけるライン交点から点分析すべき箇所を決定することができる。この際、点分析すべき箇所が20点以上となるように、必要に応じて上記のライン数を増減させることができる。次いで、各測定点におけるRh比率を、以下の式1より算出する。
Rh比率(%)=100×(Rh[wt%])/(Rh[wt%]+Pt[wt%])・・・式1
次いで、上記Rh比率が80%を超える測定点をロジウム偏在部とし、全測定点数に対するロジウム偏在部の割合を、以下の式2より算出し、算出された値がロジウム偏在部の割合L(%)とされる。
ロジウム偏在部の割合L(%)=100×(Rh比率が80%を超える測定点の点数)/(全測定点数)・・・式2
Further, let L be the ratio of the rhodium uneven distribution portion in the mixed region 223 to which the rhodium is unevenly distributed with respect to the entire mixed region 223. The ratio L of the rhodium uneven distribution portion is measured as follows. Using a scanning transmission electron microscope (STEM) and energy dispersive X-ray analysis (EDS) device, one field of EDS point analysis (measurement range: diameter 10 nm) is performed on the mixed region 223 in the cross section along the thickness direction of the detection electrode 220. 20 points or more per (magnification: for example, 200,000 times). FIG. 6 (a) shows an example of an STEM image of a mixed region, FIG. 6 (b) shows an example of an EDS mapping image of Zr element in a mixed region, and FIG. 6 (c) shows an EDS mapping image of Pt element in a mixed region. As an example, FIG. 6D shows an example of an EDS mapping image of the Rh element in the mixed region. As the points to be analyzed, for example, eight lines can be drawn at equal intervals in each of the vertical and horizontal directions of the image, and the points to be analyzed can be determined from the line intersections in the mixed region 223. At this time, the number of lines can be increased or decreased as necessary so that the number of points to be analyzed is 20 or more. Next, the Rh ratio at each measurement point is calculated from the following formula 1.
Rh ratio (%) = 100 × (Rh [wt%]) / (Rh [wt%] + Pt [wt%]) ... Equation 1
Next, the measurement points where the Rh ratio exceeds 80% are defined as the rhodium uneven distribution portion, and the ratio of the rhodium uneven distribution portion to the total number of measurement points is calculated from the following formula 2, and the calculated value is the ratio L (%) of the rhodium uneven distribution portion. ).
Rhodium uneven distribution ratio L (%) = 100 × (points of measurement points where Rh ratio exceeds 80%) / (total number of measurement points) ... Equation 2

図7に例示されるように、混在領域223の幅dとロジウム偏在部の割合Lとで表されるd-L直交座標系において、検出電極220の電極容量が所定値となるときの混在領域223の幅dとロジウム偏在部の割合Lとの相関を表す曲線を相関曲線Rとして定義する。d-L直交座標系では、横軸が混在領域223の幅d、縦軸がロジウム偏在部の割合Lとされる。相関曲線Rは、具体的には、混在領域223の幅dを横軸にとり、ロジウム偏在部の割合Lを少なくとも2点以上プロットし、各プロット点における検出電極220の電極容量より、重回帰分析にて同じ電極容量となる相関線を求めることによって得ることができる。つまり、相関曲線Rは、混在領域223の幅dおよびロジウム偏在部の割合Lの組み合わせからなる少なくとも2点の座標を用い、重回帰分析にて同じ電極容量となる相関線を求めることにより得ることができる。より具体的には、図7では、例えば、d-L直交座標系における電極容量X(μF)となる座標(d,L)と、電極容量X(μF)となる座標(d,L)の2点のプロット点を用い、重回帰分析にて同じ電極容量X(μF)となる相関曲線Rを求めた例が示されている。なお、重回帰分析する際のプロット点の座標数は、より高い相関を得るなどの観点から、好ましくは、3点以上とすることができる。 As illustrated in FIG. 7, in the dL Cartesian coordinate system represented by the width d of the mixed region 223 and the ratio L of the rhodium uneven distribution portion, the mixed region when the electrode capacitance of the detection electrode 220 becomes a predetermined value. A curve representing the correlation between the width d of 223 and the ratio L of the rhodium uneven distribution portion is defined as the correlation curve R. In the dL Cartesian coordinate system, the horizontal axis is the width d of the mixed region 223, and the vertical axis is the ratio L of the rhodium uneven distribution portion. Specifically, the correlation curve R has the width d of the mixed region 223 as the horizontal axis, plots the ratio L of the rhodium uneven distribution portion at least two points or more, and performs multiple regression analysis from the electrode capacitance of the detection electrode 220 at each plot point. It can be obtained by finding a correlation line having the same electrode capacitance at. That is, the correlation curve R can be obtained by obtaining the correlation line having the same electrode capacitance by multiple regression analysis using the coordinates of at least two points consisting of the combination of the width d of the mixed region 223 and the ratio L of the rhodium uneven distribution portion. Can be done. More specifically, in FIG. 7, for example, the coordinates (d 1 , L 1 ) that are the electrode capacitance X 1 (μF) in the dL Cartesian coordinate system and the coordinates (d) that are the electrode capacitance X 3 (μF). An example is shown in which a correlation curve R having the same electrode capacitance X 2 (μF) is obtained by multiple regression analysis using two plot points of 3 , L 3 ). The number of coordinates of the plot points in the multiple regression analysis can be preferably 3 or more from the viewpoint of obtaining a higher correlation.

検出電極220の電極容量は、インピーダンスアナライザを用い、Cole-Coleプロットに対して、等価回路フィッティグを行うことにより求めることができる。具体的には、検出電極220の電極容量の測定は、センサ使用温度である700~900℃、NOガス雰囲気(例えば、2000ppm)下にて実施される。図8に、検出電極220の等価回路モデルを示す。また、図9に、Cole-Coleプロット線図の模式図を示す。また、図10に、Bode線図の模式図を示す。等価回路モデルにおいて、R1は、固体電解質の粒内抵抗である。R2は、電極の貴金属粒子と固体電解質粒子との粒界抵抗である。R3は、電極の貴金属粒子とガスとの界面抵抗、NOガス分子の吸着による抵抗、表面拡散による抵抗の合計、すなわち、電極反応抵抗である。C2は、電極の貴金属粒子と固体電解質粒子との粒界の静電容量である。C3は、電極の貴金属粒子とガスとの界面の静電容量である。検出電極220の電極容量Cは、C2とC3の和である(C=C2+C3)。抵抗(R1,R2,R3)は、Cole-Coleプロット線図における各半円の弦より求めることができる。なお、Cole-Coleプロット線図におけるインピーダンスZの実数成分をZre、インピーダンスの虚数成分をZimとすると、|Z|=√(Zre +Zim )の関係を満たす。静電容量(C2,C3)は、Bode線図において曲線が折れ曲がる周波数(f2,f3)を求め、C=1/(2πf・R)の公式に、対応する抵抗と周波数の値を代入することによって求めることができる。つまり、検出電極220の電極容量Cは、以下の式より算出することができる。
=C2+C3=1/(2πf2・R2)+1/(2πf3・R3)
The electrode capacitance of the detection electrode 220 can be obtained by performing equivalent circuit fitting on the Core-Cole plot using an impedance analyzer. Specifically, the measurement of the electrode capacitance of the detection electrode 220 is carried out at the sensor operating temperature of 700 to 900 ° C. and in a NO gas atmosphere (for example, 2000 ppm). FIG. 8 shows an equivalent circuit model of the detection electrode 220. Further, FIG. 9 shows a schematic diagram of a Core-Cole plot diagram. Further, FIG. 10 shows a schematic diagram of a Bode diagram. In the equivalent circuit model, R1 is the intragranular resistance of the solid electrolyte. R2 is the grain boundary resistance between the noble metal particles of the electrode and the solid electrolyte particles. R3 is the total of the interfacial resistance between the noble metal particles of the electrode and the gas, the resistance due to the adsorption of NO gas molecules, and the resistance due to surface diffusion, that is, the electrode reaction resistance. C2 is the capacitance of the grain boundary between the noble metal particles of the electrode and the solid electrolyte particles. C3 is the capacitance at the interface between the noble metal particles of the electrode and the gas. The electrode capacitance Ce of the detection electrode 220 is the sum of C2 and C3 ( Ce = C2 + C3). The resistance (R1, R2, R3) can be obtained from the chord of each semicircle in the Core-Cole plot diagram. If the real component of impedance Z in the Core-Cole plot diagram is Z re and the imaginary component of impedance is Z im , the relationship of | Z | = √ (Z re 2 + Z im 2 ) is satisfied. For the capacitance (C2, C3), find the frequency (f2, f3) at which the curve bends in the Bode diagram, and substitute the corresponding resistance and frequency values into the formula of C = 1 / (2πf · R). Can be obtained by. That is, the electrode capacitance Ce of the detection electrode 220 can be calculated from the following equation.
C e = C2 + C3 = 1 / (2πf2 ・ R2) + 1 / (2πf3 ・ R3)

ガスセンサ素子2において、検出電極220は、図7に例示されるように、混在領域223の幅dとロジウム偏在部の割合Lとが上述した相関曲線Rより下側の領域にある。つまり、ガスセンサ素子2は、d-L直交座標系において、相関曲線Rより下側(図7中の斜線を引いた領域内)にある各座標(d,L)の中から、混在領域223の幅dとロジウム偏在部の割合Lとが選択される。なお、相関曲線Rより下側の領域は、相関曲線RがL=f(d)(但し、f(d)は、混在領域223の幅dの関数)で表されるときに、L<f(d)となる領域である。実験例にて後述するが、相関曲線Rは、混在領域223の幅dの増加に伴ってロジウム偏在部の割合Lが減少する曲線となる。また、相関曲線Rは、検出電極220の電極容量が増加するほど上方に位置し、検出電極220の電極容量が小さくなるほど下方に位置する。したがって、例えば、検出電極220の電極容量を所定値以下とする要請があった場合には、検出電極220の電極容量が所定値となるときの相関曲線Rより下側の領域内となるように混在領域223の幅dとロジウム偏在部の割合Lとを設定すればよいことになる。より具体的には、図7に示されるように、検出電極220の電極容量を所定値(例えば、X2)以下とする要請があった場合において、混在領域223の幅がd’であったときには、検出電極220の電極容量が所定値(X2)となるときの相関曲線Rより求められる、混在領域223の幅がd’であるときのロジウム偏在部の割合L’よりも小さくなるようにロジウム偏在部の割合を設定すればよい。同様に、検出電極220の電極容量を所定値(例えば、X2)以下とする要請があった場合において、ロジウム偏在部の割合L’であったときには、検出電極220の電極容量が所定値(X2)となるときの相関曲線Rより求められる、ロジウム偏在部の割合がL’であるときの混在領域223の幅d’よりも小さくなるように混在領域223の幅を設定すればよい。 In the gas sensor element 2, as illustrated in FIG. 7, the detection electrode 220 has the width d of the mixed region 223 and the ratio L of the rhodium uneven distribution portion in the region below the correlation curve R described above . That is, in the dL Cartesian coordinate system, the gas sensor element 2 has a mixed region 223 from each coordinate (d, L) located below the correlation curve R (inside the shaded area in FIG. 7). The width d and the ratio L of the rhodium uneven distribution portion are selected. The region below the correlation curve R is L <f when the correlation curve R is represented by L = f (d) (where f (d) is a function of the width d of the mixed region 223). This is the area (d). As will be described later in an experimental example, the correlation curve R is a curve in which the proportion L of the rhodium uneven distribution portion decreases as the width d of the mixed region 223 increases. Further, the correlation curve R is located upward as the electrode capacitance of the detection electrode 220 increases, and is located downward as the electrode capacitance of the detection electrode 220 decreases. Therefore, for example, when there is a request to set the electrode capacitance of the detection electrode 220 to a predetermined value or less, the electrode capacitance of the detection electrode 220 is set to be within the region below the correlation curve R when the predetermined value is reached. The width d of the mixed region 223 and the ratio L of the rhodium uneven distribution portion may be set. More specifically, as shown in FIG. 7, when the width of the mixed region 223 is d'when the electrode capacitance of the detection electrode 220 is requested to be a predetermined value (for example, X2) or less. Rhodium so as to be smaller than the ratio L'of the rhodium uneven distribution portion when the width of the mixed region 223 is d', which is obtained from the correlation curve R when the electrode capacitance of the detection electrode 220 becomes a predetermined value (X2). The ratio of the uneven distribution portion may be set. Similarly, when there is a request for the electrode capacitance of the detection electrode 220 to be a predetermined value (for example, X2) or less and the ratio of the rhodium uneven distribution portion is L', the electrode capacitance of the detection electrode 220 is a predetermined value (X2). ), The width of the mixed region 223 may be set so as to be smaller than the width d'of the mixed region 223 when the ratio of the rhodium uneven distribution portion is L'.

ガスセンサ素子2において、検出電極220は、具体的には、混在領域223の幅dとロジウム偏在部の割合Lとが検出電極220の電極容量が300μFとなるときの相関曲線Rより下側の領域にある構成とされる。 In the gas sensor element 2, specifically, the detection electrode 220 is a region below the correlation curve R when the width d of the mixed region 223 and the ratio L of the rhodium uneven distribution portion L are the electrode capacitance of the detection electrode 220 of 300 μF. It is said to be the configuration in.

この構成によれば、電流のノイズやヒステリシス低減によるNOxガス濃度の検出精度向上を確実なものとすることができる。そのため、この構成によれば、NOxガス濃度の検出に有利なガスセンサ素子2、ガスセンサ1を得やすくなる。 According to this configuration, it is possible to ensure the improvement of the detection accuracy of the NOx gas concentration by reducing the noise of the current and the hysteresis. Therefore, according to this configuration, it becomes easy to obtain the gas sensor element 2 and the gas sensor 1 which are advantageous for detecting the NOx gas concentration.

これは、次の理由による。外部からの低周波ノイズは、検出電極220の電極容量より増幅される。そのため、検出電極220の電極容量を低減することによりNOx出力ノイズが低減し、NOx出力の静的精度が向上する。また、検出電極220の電極容量に電荷が溜まると、過渡的な電圧変化があった場合に、電流値が電圧変化に対して遅れ、ヒステリシスが生じる。そのため、検出電極220の電極容量を低減することによりNOx出力の動的精度が向上する。 This is due to the following reasons. The low frequency noise from the outside is amplified by the electrode capacitance of the detection electrode 220. Therefore, by reducing the electrode capacitance of the detection electrode 220, NOx output noise is reduced and the static accuracy of NOx output is improved. Further, when an electric charge is accumulated in the electrode capacitance of the detection electrode 220, the current value is delayed with respect to the voltage change when there is a transient voltage change, and hysteresis occurs. Therefore, the dynamic accuracy of NOx output is improved by reducing the electrode capacitance of the detection electrode 220.

検出電極220は、好ましくは、混在領域223の幅dとロジウム偏在部の割合Lとが検出電極220の電極容量が250μFとなるときの相関曲線Rより下側の領域にある構成、より好ましくは、混在領域223の幅dとロジウム偏在部の割合Lとが検出電極220の電極容量が200μFとなるときの相関曲線Rより下側の領域にある構成、さらに好ましくは、混在領域223の幅dとロジウム偏在部の割合Lとが検出電極220の電極容量が150μFとなるときの相関曲線Rより下側の領域にある構成とすることができる。 The detection electrode 220 is preferably configured such that the width d of the mixed region 223 and the ratio L of the rhodium uneven distribution portion are in the region below the correlation curve R when the electrode capacitance of the detection electrode 220 is 250 μF. It is preferable that the width d of the mixed region 223 and the ratio L of the rhodium uneven distribution portion are in the region below the correlation curve R when the electrode capacitance of the detection electrode 220 is 200 μF , more preferably the mixture. The width d of the region 223 and the ratio L of the rhodium uneven distribution portion can be configured to be in a region below the correlation curve R when the electrode capacitance of the detection electrode 220 is 150 μF .

ガスセンサ素子2において、混在領域223の幅dは、具体的には、30nm以上とすることができる。この構成によれば、混在領域223における被測定ガスG中の特定ガスを含む気相と、貴金属領域221と、固体電解質領域222とによる三相界面を十分な量としやすくなる。そのため、検出電極220の電極反応抵抗を低減しやすくなり、検出電極220の活性を向上させることができる。なお、混在領域223の幅dは、検出電極220の活性向上等の観点から、好ましくは、40nm以上、より好ましくは、50nm以上、さらに好ましくは、100nm以上とすることができる。また、Rhは還元性を有するため凝集して安定する性質があり、高温維持による熱負荷を与えるとRh粒子同士が凝集し反応抵抗が増大する。混在領域223の幅dが大きくなり過ぎるとより凝縮が進みやすくなる。高温維持による熱負荷に対する耐久性の観点から、混在領域223の幅dは、好ましくは、3000nm以下、より好ましくは、2000nm以下、さらに好ましくは、1500nm以下、さらにより一層好ましくは、1000nm以下とすることができる。 In the gas sensor element 2, the width d of the mixed region 223 can be specifically 30 nm or more. According to this configuration, it becomes easy to make a sufficient amount of the three-phase interface between the gas phase containing the specific gas in the measured gas G in the mixed region 223, the noble metal region 221 and the solid electrolyte region 222. Therefore, it becomes easy to reduce the electrode reaction resistance of the detection electrode 220, and the activity of the detection electrode 220 can be improved. The width d of the mixed region 223 can be preferably 40 nm or more, more preferably 50 nm or more, still more preferably 100 nm or more, from the viewpoint of improving the activity of the detection electrode 220. Further, since Rh has a reducing property, it has a property of aggregating and stabilizing, and when a heat load is applied by maintaining a high temperature, Rh particles aggregate with each other and the reaction resistance increases. If the width d of the mixed region 223 becomes too large, condensation becomes more likely to proceed. From the viewpoint of durability against heat load due to high temperature maintenance, the width d of the mixed region 223 is preferably 3000 nm or less, more preferably 2000 nm or less, still more preferably 1500 nm or less, and even more preferably 1000 nm or less. be able to.

ガスセンサ素子2において、検出電極220の電極反応抵抗は、具体的には、15000Ω以下とすることができる。この構成によれば、高活性で高精度なNOx出力を得やすくなる In the gas sensor element 2, the electrode reaction resistance of the detection electrode 220 can be specifically 15000Ω or less. According to this configuration, it becomes easy to obtain a highly active and highly accurate NOx output .

なお、検出電極220の電極反応抵抗は、上述した検出電極220の電極容量の測定にて説明したR3であり、このR3は、検出電極220の電極容量の測定時に合わせて算出することができる。また、後述の実験例にて示されるように、混在領域223の幅dを30nm以上とすることにより、検出電極220の電極反応抵抗を15000Ω以下とすることができる。 The electrode reaction resistance of the detection electrode 220 is R3 described in the above-mentioned measurement of the electrode capacitance of the detection electrode 220, and this R3 can be calculated together with the measurement of the electrode capacitance of the detection electrode 220. Further, as shown in the experimental example described later, the electrode reaction resistance of the detection electrode 220 can be set to 15000Ω or less by setting the width d of the mixed region 223 to 30 nm or more.

検出電極220の電極反応抵抗は、NOx出力の高精度化等の観点から、好ましくは、14000Ω以下、より好ましくは、13000Ω以下、さらに好ましくは、12000Ω以下とすることができる。なお、検出電極220の電極反応抵抗は、小さいほど良いため、下限は特に制限されない。 The electrode reaction resistance of the detection electrode 220 can be preferably 14000 Ω or less, more preferably 13000 Ω or less, still more preferably 12000 Ω or less, from the viewpoint of improving the accuracy of NOx output. Since the smaller the electrode reaction resistance of the detection electrode 220 is, the better, the lower limit is not particularly limited.

ガスセンサ素子2において、検出電極220に含まれる貴金属は、ロジウムを30~70質量%、白金を70~30質量%含む構成とすることができる。具体的には、検出電極220に含まれる貴金属は、ロジウムを30~70質量%、白金を70~30質量%含むPr-Rh合金より構成することができる。これらの構成によれば、RhによるNOx分解性とRhの酸化膨張による検出電極220の剥離強度の確保とのバランスに優れる。 In the gas sensor element 2, the noble metal contained in the detection electrode 220 can be configured to contain 30 to 70% by mass of rhodium and 70 to 30% by mass of platinum. Specifically, the noble metal contained in the detection electrode 220 can be made of a Pr—Rh alloy containing 30 to 70% by mass of rhodium and 70 to 30% by mass of platinum. According to these configurations, the balance between the NOx decomposability by Rh and the securing of the peel strength of the detection electrode 220 due to the oxidative expansion of Rh is excellent.

上記した実施形態では、ガスセンサ素子2がモニタセル23を有する構成について説明したが、被測定ガスG中の特定ガスの濃度を検出するという観点において、モニタセル23は、必須な構成ではない。但し、ポンプセル24により酸素濃度が調整された後のガス中における酸素濃度を正しく検出し、検出セル22の出力に対してバックグラウンドの補正を行うという点ではモニタセル23を有していることが好ましい。 In the above-described embodiment, the configuration in which the gas sensor element 2 has the monitor cell 23 has been described, but the monitor cell 23 is not an essential configuration from the viewpoint of detecting the concentration of the specific gas in the gas to be measured G. However, it is preferable to have the monitor cell 23 in that the oxygen concentration in the gas after the oxygen concentration is adjusted by the pump cell 24 is correctly detected and the background is corrected for the output of the detection cell 22. ..

また、上記した実施形態では、検出電極220を構成する貴金属としてPtとRhを含むものについて説明したが、PtとRhにパラジウム(Pd)やルテニウム(Ru)などを添加するように構成しても良い。 Further, in the above-described embodiment, the precious metals constituting the detection electrode 220 containing Pt and Rh have been described, but even if the detection electrode 220 is configured to contain palladium (Pd), ruthenium (Ru), or the like. good.

また、測定ガス室20において、検出セル22が形成された空間とポンプセル24が形成された空間とを被測定ガスGが往来可能に分離されるように構成しても良い。具体的には、例えば、ガスセンサ素子2は、検出セル22が形成された空間とポンプセル24が形成された空間との間に拡散律速体(不図示)が形成された構成とすることができる。拡散律速体は、検出セル22とポンプセル24とを分離することによって測定ガス室20を2つの空間に分離しつつ、拡散抵抗を調整しながら被測定ガスGを透過させることができる。 Further, in the measurement gas chamber 20, the space in which the detection cell 22 is formed and the space in which the pump cell 24 is formed may be configured to be separated so that the gas to be measured G can come and go. Specifically, for example, the gas sensor element 2 may have a configuration in which a diffusion rate-determining body (not shown) is formed between the space in which the detection cell 22 is formed and the space in which the pump cell 24 is formed. The diffusion rate-determining body can separate the measurement gas chamber 20 into two spaces by separating the detection cell 22 and the pump cell 24, and allow the measured gas G to permeate while adjusting the diffusion resistance.

検出電極220は、例えば、次のようにして形成することができる。Pt-Rh合金粒子等のPtとRhとを少なくとも含む貴金属粒子と、イットリア安定化ジルコニア粒子等のジルコニア質の固体電解質粒子と、必要に応じて造孔剤とを含む混合物を固体電解質体26の表面に塗布し、窒素雰囲気中にて焼き付ける。次いで、窒素ガス雰囲気中、焼き付けた検出電極220(厳密には検出電極220となる前の電極)と基準電極27との間に電圧を印加し、通電処理を行う。これにより貴金属粒子とジルコニア質の固体電解質粒子との界面にてZrOの一部がZrに還元され、ZrにPt、Rhが固溶する。その後、雰囲気中に酸素ガスを導入し、上記還元されたZrを再酸化させてZrOとする。これにより、貴金属領域221と固体電解質領域222との界面に、Zr-Pt-Rhの混在領域223が形成される。ここで、貴金属粒子においてPtとRhは全率固溶しているが、各元素の固溶速度が異なるため、通電処理時の温度が高くなるほど固溶速度の差が大きくなる。このため、Pt、RhがZrへ固溶する際に、電極温度が高すぎると、固溶速度差のため全率固溶していたPt-Rh合金が分離していまい、Rhが偏在しやすくなる。また、電極温度が低すぎると、固溶が進まない。Rhの偏在を抑え、十分な混在領域223の幅を得るためには、電極温度を低めに設定し、通電時間を相対的に長くする。電極温度を高めに設定したい場合には、通電時間を相対的に短くすることにより、Rhの偏在を最小限に抑えることができる。電極温度、通電時間、印可電圧はこれらの現象を考慮して適宜設定することができる。なお、検出電極220以外の各構成の形成方法については、公知の技術を適用することができる。 The detection electrode 220 can be formed, for example, as follows. A mixture containing noble metal particles containing at least Pt and Rh such as Pt—Rh alloy particles, zirconia-like solid electrolyte particles such as yttria-stabilized zirconia particles, and, if necessary, a pore-forming agent, is formed in the solid electrolyte body 26. Apply to the surface and bake in a nitrogen atmosphere. Next, a voltage is applied between the baked detection electrode 220 (strictly speaking, the electrode before the detection electrode 220) and the reference electrode 27 in a nitrogen gas atmosphere to perform an energization process. As a result, a part of ZrO 2 is reduced to Zr at the interface between the noble metal particles and the zirconia solid electrolyte particles, and Pt and Rh are solidly dissolved in Zr. Then, oxygen gas is introduced into the atmosphere, and the reduced Zr is reoxidized to obtain ZrO 2 . As a result, a mixed region 223 of Zr-Pt-Rh is formed at the interface between the noble metal region 221 and the solid electrolyte region 222. Here, in the noble metal particles, Pt and Rh are completely solid-solved, but since the solid-solution rate of each element is different, the difference in the solid-solution rate increases as the temperature during the energization treatment increases. Therefore, when Pt and Rh are solid-solved in Zr, if the electrode temperature is too high, the Pt-Rh alloy that has been completely solid-solved due to the difference in solid-solution rate may be separated, and Rh tends to be unevenly distributed. Become. Further, if the electrode temperature is too low, solid solution does not proceed. In order to suppress uneven distribution of Rh and obtain a sufficient width of the mixed region 223, the electrode temperature is set low and the energization time is relatively long. When it is desired to set the electrode temperature higher, the uneven distribution of Rh can be minimized by making the energization time relatively short. The electrode temperature, energization time, and applied voltage can be appropriately set in consideration of these phenomena. A known technique can be applied to the method of forming each configuration other than the detection electrode 220.

(実験例)
上述した製造方法に従って、検出電極の電極容量が異なる4つのガスセンサ素子を作製した。本例では、Pt-Rh合金粒子とイットリア安定化ジルコニアと造孔剤とを含むペースト状の混合物を用い、通電処理条件を変えることにより、イットリア安定化ジルコニアより構成される固体電解質体の表面に各検出電極を形成した。各ガスセンサ素子について、上述した測定方法により検出電極の電極容量を測定し、測定された検出電極の電極容量が144μFであったガスセンサ素子を試料1、検出電極の電極容量が155μFであったガスセンサ素子を試料2、検出電極の電極容量が410μFであったガスセンサ素子を試料1C、検出電極の電極容量が390μFであったガスセンサ素子を試料2Cとした。
(Experimental example)
According to the manufacturing method described above, four gas sensor elements having different electrode capacities of detection electrodes were manufactured. In this example, a paste-like mixture containing Pt—Rh alloy particles, yttria-stabilized zirconia, and a pore-forming agent is used, and by changing the energization treatment conditions, the surface of the solid electrolyte composed of yttria-stabilized zirconia is formed. Each detection electrode was formed. For each gas sensor element, the electrode capacitance of the detection electrode was measured by the above-mentioned measurement method, and the gas sensor element having the measured electrode capacitance of 144 μF was sample 1, and the gas sensor element having the detected electrode capacitance of 155 μF. The gas sensor element having an electrode capacitance of 410 μF was designated as sample 1C, and the gas sensor element having an electrode capacitance of a detection electrode of 390 μF was designated as sample 2C.

STEM観察およびEDS分析の結果から、各試料のガスセンサ素子は、いずれも、上述した図6で示されるものと同様に、検出電極が、Pt-Rh合金とイットリア安定化ジルコニアと気孔とを含んで構成されており、Pt-Rh合金より構成される貴金属領域と、イットリア安定化ジルコニアより構成される固体電解質領域と、Pt-Rh合金とイットリア安定化ジルコニアとが混在する混在領域とを有していることが確認された。 From the results of STEM observations and EDS analysis, the gas sensor elements of each sample all contained a Pt—Rh alloy, yttria-stabilized zirconia and pores, similar to that shown in FIG. 6 above. It is composed of a noble metal region composed of a Pt—Rh alloy, a solid electrolyte region composed of yttria-stabilized zirconia, and a mixed region in which a Pt—Rh alloy and yttria-stabilized zirconia are mixed. It was confirmed that there was.

各試料のガスセンサ素子における検出電極について、上述した測定方法に従って混在領域の幅dとロジウム偏在部の割合Lを測定した。次いで、混在領域の幅dを横軸として、ロジウム偏在部の割合Lの値をプロットした。次いで、試料1、試料2、試料1C、試料2Cの4つの水準について、検出電極の電極容量を目的変数y、混在領域の幅dとロジウム偏在部の割合Lとを説明変数(x,x)として重回帰分析することにより、以下のような重回帰式を得た。
y=α+α+α(但し、α、α、αは偏回帰係数)
さらに、検出電極の電極容量は、ロジウム偏在部の総量に影響を受ける、すなわち、混在領域の幅dとロジウム偏在部の割合Lとの積によって変化することから2つの説明変数の相互作用も考慮して重回帰分析を行うことにより、以下のような重回帰式を得た。
y=α+α+α+α(但し、α、α、α、αは偏回帰係数)
この重回帰式を以下のように変形し、任意の電極容量をyに代入することにより、各相関曲線Rを求めた。その結果を、図11に示す。
相関曲線R:x=(y-α-α)/(α+α
(但し、α、α、α、αは偏回帰係数)
For the detection electrode in the gas sensor element of each sample, the width d of the mixed region and the ratio L of the rhodium uneven distribution portion were measured according to the above-mentioned measurement method. Next, the value of the ratio L of the rhodium uneven distribution portion was plotted with the width d of the mixed region as the horizontal axis. Next, for the four levels of sample 1, sample 2, sample 1C, and sample 2C, the electrode capacitance of the detection electrode is set as the objective variable y, the width d of the mixed region and the ratio L of the rhodium uneven distribution portion are set as explanatory variables (x 1 , x). By performing multiple regression analysis as 2 ), the following multiple regression equation was obtained.
y = α 0 + α 1 x 1 + α 2 x 2 (However, α 0 , α 1 , and α 2 are partial regression coefficients)
Furthermore, since the electrode capacitance of the detection electrode is affected by the total amount of the rhodium uneven distribution portion, that is, it changes depending on the product of the width d of the mixed region and the ratio L of the rhodium uneven distribution portion, the interaction of the two explanatory variables is also considered. By performing multiple regression analysis, the following multiple regression equation was obtained.
y = α 0 + α 1 x 1 + α 2 x 2 + α 3 x 1 x 2 (However, α 0 , α 1 , α 2 , and α 3 are partial regression coefficients)
Each correlation curve R was obtained by transforming this multiple regression equation as follows and substituting an arbitrary electrode capacitance into y. The results are shown in FIG.
Correlation curve R: x 2 = (y-α 01 x 1 ) / (α 2 + α 3 x 1 )
(However, α 0 , α 1 , α 2 , and α 3 are partial regression coefficients)

図11に示されるように、混在領域の幅dの増加に伴い、ロジウム偏在部の割合Lが減少することがわかる。また、相関曲線は、検出電極の電極容量が増加するほど上方に位置し、検出電極の電極容量が小さくなるほど下方に位置することがわかる。この結果から、検出電極の電極容量を所定値以下とする要請があった場合に、検出電極の電極容量が所定値となる相関曲線より下側の領域(相関曲線の負側)から混在領域の幅dとロジウム偏在部の割合Lとを設定することにより、その相関曲線の電極容量よりも電極容量を低減することができることがわかる。つまり、混在領域の幅dとロジウム偏在部の割合Lの組み合わせた座標(c,d)が混在領域の幅dについて負側、かつ、ロジウム偏在部の割合Lについて負側であるように、混在領域の幅dとロジウム偏在部の割合Lとを設定することにより、その相関曲線の電極容量よりも電極容量を低減することができるといえる。 As shown in FIG. 11, it can be seen that the proportion L of the rhodium uneven distribution portion decreases as the width d of the mixed region increases. Further, it can be seen that the correlation curve is located upward as the electrode capacitance of the detection electrode increases, and is located downward as the electrode capacitance of the detection electrode decreases. From this result, when there is a request to set the electrode capacitance of the detection electrode to a predetermined value or less, the region from the region below the correlation curve (negative side of the correlation curve) where the electrode capacitance of the detection electrode becomes the predetermined value to the mixed region. It can be seen that by setting the width d and the ratio L of the rhodium uneven distribution portion, the electrode capacity can be reduced more than the electrode capacity of the correlation curve. That is, the combined coordinates (c, d) of the width d of the mixed region and the ratio L of the rhodium uneven distribution portion are on the negative side with respect to the width d of the mixed region and the negative side with respect to the ratio L of the rhodium uneven distribution portion. By setting the width d of the mixed region and the ratio L of the rhodium uneven distribution portion, it can be said that the electrode capacity can be reduced more than the electrode capacity of the correlation curve.

次に、上記と同様にして、検出電極の電極容量が異なる複数のガスセンサ素子を作製し、NOx出力ノイズを測定した。NOx出力ノイズの測定は、N雰囲気、O雰囲気、NO雰囲気においてセンサを駆動させて行った。NOx出力ノイズは、得られたNOx出力波形の20sec間の波形において、最大ピークと最小ピークの差より計算した。その結果を、図12に示す。図12に示されるように、検出電極の電極容量とNOx出力との関係線によれば、NOx出力ノイズは、検出電極の電極容量の増加に伴ってほぼ比例的に増加することがわかる。よって、図11および図12によれば、検出電極の電極容量の低減により電流のノイズやヒステリシスが抑制され、被測定ガス中の特定ガスの濃度を高精度に検出することが可能になることがわかる。また、図12によれば、NOx検出精度向上のためにNOxノイズを10ppm以下とするには、検出電極の電極容量を300μF以下とすることが望ましいこともわかる。 Next, in the same manner as described above, a plurality of gas sensor elements having different electrode capacities of the detection electrodes were manufactured, and NOx output noise was measured. The measurement of NOx output noise was performed by driving the sensor in N 2 atmosphere, O 2 atmosphere, and NO atmosphere. The NOx output noise was calculated from the difference between the maximum peak and the minimum peak in the waveform of the obtained NOx output waveform for 20 sec. The results are shown in FIG. As shown in FIG. 12, according to the relationship line between the electrode capacitance of the detection electrode and the NOx output, it can be seen that the NOx output noise increases almost proportionally as the electrode capacitance of the detection electrode increases. Therefore, according to FIGS. 11 and 12, the noise and hysteresis of the current can be suppressed by reducing the electrode capacitance of the detection electrode, and the concentration of the specific gas in the gas to be measured can be detected with high accuracy. Understand. Further, according to FIG. 12, it can be seen that it is desirable to set the electrode capacitance of the detection electrode to 300 μF or less in order to reduce the NOx noise to 10 ppm or less in order to improve the NOx detection accuracy.

次に、上記と同様にして、検出電極の電極容量が異なる複数のガスセンサ素子を作製し、上述した測定方法に従って、混在領域の幅dおよび検出電極の電極反応抵抗を測定した。その結果を、図13に示す。図13に示されるように、混在領域の幅dと検出電極の電極反応抵抗との関係によれば、検出電極の電極反応抵抗は、混在領域の幅dの増加に伴って減少することがわかる。また、図13によれば、NOx検出精度向上のために検出電極の電極反応抵抗を15000Ω以下とするには、混在領域の幅dを30nm以上とすることが望ましいこともわかる。なお、図14は、混在領域の幅d(nm)とロジウム偏在部の割合L(%)との関係において、混在領域の幅d=30nmのラインを示したものである。図14に例示されるように、混在領域の幅dとロジウム偏在部の割合Lとが、検出電極の電極容量が300μFとなるときの相関曲線より下側、かつ、混在領域の幅dが30nm以上である領域にあることにより、検出電極の電極容量の低減によってNOx検出精度向上に有利なガスセンサ素子を得やすくなる。 Next, in the same manner as described above, a plurality of gas sensor elements having different electrode capacities of the detection electrodes were produced, and the width d of the mixed region and the electrode reaction resistance of the detection electrodes were measured according to the measurement method described above. The result is shown in FIG. As shown in FIG. 13, according to the relationship between the width d of the mixed region and the electrode reaction resistance of the detection electrode, it can be seen that the electrode reaction resistance of the detection electrode decreases as the width d of the mixed region increases. .. Further, according to FIG. 13, it can be seen that it is desirable that the width d of the mixed region is 30 nm or more in order to make the electrode reaction resistance of the detection electrode 15,000 Ω or less in order to improve the NOx detection accuracy. Note that FIG. 14 shows a line having a width d of the mixed region = 30 nm in relation to the width d (nm) of the mixed region and the ratio L (%) of the rhodium uneven distribution portion. As illustrated in FIG. 14, the width d of the mixed region and the ratio L of the rhodium uneven distribution portion are lower than the correlation curve when the electrode capacitance of the detection electrode is 300 μF, and the width d of the mixed region is By being in the region of 30 nm or more, it becomes easy to obtain a gas sensor element which is advantageous for improving NOx detection accuracy by reducing the electrode capacitance of the detection electrode.

本発明は、上記実施形態、実験例に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の変更が可能である。また、実施形態、実験例に示される各構成は、それぞれ任意に組み合わせることができる。
以下、参考形態の例を付記する。
項1.
酸素イオン伝導性を有するジルコニア質の固体電解質より構成される固体電解質体(26)と、
上記固体電解質体の一方面に設けられ、被測定ガス(G)中の特定ガスの濃度を検出するための検出電極(220)と、
上記固体電解質体の他方面に設けられ、基準ガス(A)に曝される基準電極(27)と、を備えたガスセンサ素子(2)であって、
上記検出電極は、白金およびロジウムを少なくとも含む貴金属より構成される貴金属領域(221)と、上記固体電解質より構成される固体電解質領域(222)と、上記貴金属と上記固体電解質とが混在する混在領域(223)とを有しており、
上記混在領域の幅dと、上記混在領域全体に対する、上記混在領域における上記ロジウムが偏在するロジウム偏在部の割合Lとで表されるd-L直交座標系において、上記検出電極の電極容量が所定値となるときの上記混在領域の幅dと上記ロジウム偏在部の割合Lとの相関を表す曲線を相関曲線(R)として定義したとき、
上記検出電極は、上記相関曲線より下側の領域から上記混在領域の幅dと上記ロジウム偏在部の割合Lとが設定される、
ガスセンサ素子(2)。
項2.
上記検出電極は、上記電極容量が300μFとなるときの上記相関曲線より下側の領域から上記混在領域の幅dと上記ロジウム偏在部の割合Lとが設定される、項1に記載のガスセンサ素子。
項3.
上記混在領域の幅dが30nm以上である、項1または項2に記載のガスセンサ素子。
項4.
上記検出電極の電極反応抵抗が15000Ω以下である、項1~項3のいずれか1項に記載のガスセンサ素子。
項5.
上記貴金属は、上記ロジウムを30~70質量%、上記白金を70~30質量%含む、項1~項4のいずれか1項に記載のガスセンサ素子。
項6.
項1~項5のいずれか1項に記載のガスセンサ素子を有するガスセンサ(1)。
The present invention is not limited to the above embodiments and experimental examples, and various modifications can be made without departing from the gist thereof. In addition, the configurations shown in the embodiments and experimental examples can be arbitrarily combined.
Hereinafter, an example of the reference form will be added.
Item 1.
A solid electrolyte body (26) composed of a zirconia solid electrolyte having oxygen ion conductivity, and
A detection electrode (220) provided on one surface of the solid electrolyte body for detecting the concentration of the specific gas in the gas to be measured (G), and
A gas sensor element (2) provided on the other surface of the solid electrolyte body and provided with a reference electrode (27) exposed to the reference gas (A).
The detection electrode has a noble metal region (221) composed of a noble metal containing at least platinum and rhodium, a solid electrolyte region (222) composed of the solid electrolyte, and a mixed region in which the noble metal and the solid electrolyte coexist. Has (223) and
The electrode capacitance of the detection electrode is predetermined in the dL Cartesian coordinate system represented by the width d of the mixed region and the ratio L of the rhodium unevenly distributed portion in the mixed region in which the rhodium is unevenly distributed to the entire mixed region. When the curve representing the correlation between the width d of the mixed region and the ratio L of the rhodium uneven distribution portion when it becomes a value is defined as the correlation curve (R),
In the detection electrode, the width d of the mixed region and the ratio L of the rhodium uneven distribution portion are set from the region below the correlation curve.
Gas sensor element (2).
Item 2.
Item 2. The gas sensor element according to Item 1, wherein the detection electrode has a width d of the mixed region and a ratio L of the rhodium uneven distribution portion set from a region below the correlation curve when the electrode capacitance is 300 μF. ..
Item 3.
Item 2. The gas sensor element according to Item 1 or Item 2, wherein the width d of the mixed region is 30 nm or more.
Item 4.
Item 2. The gas sensor element according to any one of Items 1 to 3, wherein the electrode reaction resistance of the detection electrode is 15,000 Ω or less.
Item 5.
Item 6. The gas sensor element according to any one of Items 1 to 4, wherein the precious metal contains 30 to 70% by mass of rhodium and 70 to 30% by mass of platinum.
Item 6.
The gas sensor (1) having the gas sensor element according to any one of Items 1 to 5.

1 ガスセンサ
2 ガスセンサ素子
26 固体電解質体
220 検出電極
221 貴金属領域
222 固体電解質領域
223 混在領域
R 相関曲線
27 基準電極
G 被測定ガス
A 基準ガス
1 Gas sensor 2 Gas sensor element 26 Solid electrolyte 220 Detection electrode 221 Noble metal region 222 Solid electrolyte region 223 Mixed region R Correlation curve 27 Reference electrode G Measured gas A Reference gas

Claims (5)

酸素イオン伝導性を有するジルコニア質の固体電解質より構成される固体電解質体(26)と、
上記固体電解質体の一方面に設けられ、被測定ガス(G)中の特定ガスの濃度を検出するための検出電極(220)と、
上記固体電解質体の他方面に設けられ、基準ガス(A)に曝される基準電極(27)と、を備えたガスセンサ素子(2)であって、
上記検出電極は、白金およびロジウムを少なくとも含む貴金属より構成される貴金属領域(221)と、上記固体電解質より構成される固体電解質領域(222)と、上記貴金属と上記固体電解質とが混在する混在領域(223)とを有しており、
上記混在領域の幅dと、上記混在領域全体に対する、上記混在領域における上記ロジウムが偏在するロジウム偏在部の割合Lとで表されるd-L直交座標系において、上記検出電極の電極容量が所定値となるときの上記混在領域の幅dと上記ロジウム偏在部の割合Lとの相関を表す曲線を相関曲線(R)として定義したとき、
上記検出電極は、上記混在領域の幅dと上記ロジウム偏在部の割合Lとが上記電極容量が300μFとなるときの上記相関曲線より下側の領域にある、
ガスセンサ素子(2)。
A solid electrolyte body (26) composed of a zirconia solid electrolyte having oxygen ion conductivity, and
A detection electrode (220) provided on one surface of the solid electrolyte body for detecting the concentration of the specific gas in the gas to be measured (G), and
A gas sensor element (2) provided on the other surface of the solid electrolyte body and provided with a reference electrode (27) exposed to the reference gas (A).
The detection electrode has a noble metal region (221) composed of a noble metal containing at least platinum and rhodium, a solid electrolyte region (222) composed of the solid electrolyte, and a mixed region in which the noble metal and the solid electrolyte coexist. Has (223) and
The electrode capacitance of the detection electrode is predetermined in the dL Cartesian coordinate system represented by the width d of the mixed region and the ratio L of the rhodium unevenly distributed portion in the mixed region in which the rhodium is unevenly distributed to the entire mixed region. When the curve representing the correlation between the width d of the mixed region and the ratio L of the rhodium uneven distribution portion when it becomes a value is defined as the correlation curve (R),
The detection electrode is located in a region below the correlation curve when the width d of the mixed region and the ratio L of the rhodium uneven distribution portion are 300 μF.
Gas sensor element (2).
上記混在領域の幅dが30nm以上である、請求項1に記載のガスセンサ素子。 The gas sensor element according to claim 1 , wherein the width d of the mixed region is 30 nm or more. 上記検出電極の電極反応抵抗が15000Ω以下である、請求項1または2に記載のガスセンサ素子。 The gas sensor element according to claim 1 or 2 , wherein the electrode reaction resistance of the detection electrode is 15,000 Ω or less. 上記貴金属は、上記ロジウムを30~70質量%、上記白金を70~30質量%含む、請求項1~のいずれか1項に記載のガスセンサ素子。 The gas sensor element according to any one of claims 1 to 3 , wherein the precious metal contains 30 to 70% by mass of rhodium and 70 to 30% by mass of platinum. 請求項1~のいずれか1項に記載のガスセンサ素子を有するガスセンサ(1)。 A gas sensor (1) having the gas sensor element according to any one of claims 1 to 4 .
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