JP7313314B2 - 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 gas sensor elements and gas sensors.

ガスセンサは、車両の内燃機関の排気管等に配置され、排気管を流れる排ガスを検出対象ガスとして、検出対象ガスに含まれる特定ガス成分濃度、酸素濃度などを検出するために用いられる。この種のガスセンサとしては、例えば、固体電解質体の表面に形成した検出電極にて起きる特定ガス成分の電気化学的酸化反応と酸素ガスの電気化学的還元反応とによって生ずる混成電位を検出するガスセンサが知られている。検出電極としては、金などの特定ガス成分および酸素ガスに触媒活性を有する材料が用いられる。特定ガス成分としては、アンモニアガス、二酸化窒素ガス、炭化水素ガスなどが挙げられる。 A gas sensor is arranged in an exhaust pipe or the like of an internal combustion engine of a vehicle, and is used to detect the concentration of a specific gas component, oxygen concentration, etc. contained in the detection target gas, which is exhaust gas flowing through the exhaust pipe. As this type of gas sensor, for example, a gas sensor that detects a mixed potential generated by an electrochemical oxidation reaction of a specific gas component and an electrochemical reduction reaction of oxygen gas occurring at a detection electrode formed on the surface of a solid electrolyte body is known. As the detection electrode, a material such as gold, which has catalytic activity for a specific gas component and oxygen gas, is used. Specific gas components include ammonia gas, nitrogen dioxide gas, and hydrocarbon gas.

混成電位を利用するガスセンサとしては、具体的には、特許文献1に記載のガスセンサなどがある。当該ガスセンサは、気孔率が10%以上40%以下であり、厚みが5μm以上35μm以下であるように形成された検出電極を備えたガスセンサ素子を有している。 As a gas sensor using a mixed potential, there is a gas sensor described in Patent Document 1, for example. The gas sensor has a gas sensor element having a detection electrode formed to have a porosity of 10% or more and 40% or less and a thickness of 5 μm or more and 35 μm or less.

特開2019-158495号公報JP 2019-158495 A

従来知られる混成電位式のガスセンサは、空燃比センサ、NOxセンサ等の公知の電極構造に基づいて、経験的に検出電極の気孔率や厚みを設定したものに過ぎない。このように規定される気孔率には、上述した電気化学的酸化還元反応に寄与する開気孔以外にも、電気化学的酸化還元反応に寄与しない閉気孔も含まれる。そのため、単に検出電極に一定の割合で気孔が存在するというだけは、センサ出力を安定化させることが難しい。 Conventionally known mixed potential type gas sensors are merely those in which the porosity and thickness of the detection electrodes are empirically set based on the known electrode structures of air-fuel ratio sensors, NOx sensors, and the like. The porosity defined in this manner includes closed pores that do not contribute to the electrochemical oxidation-reduction reaction, in addition to the open pores that contribute to the electrochemical oxidation-reduction reaction. Therefore, it is difficult to stabilize the sensor output simply because the detection electrode has a certain ratio of pores.

本発明は、かかる課題に鑑みてなされたものであり、センサ出力を安定化させることが可能なガスセンサ素子、また、当該ガスセンサ素子を有するガスセンサを提供しようとするものである。 SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made in view of such problems, and an object thereof is to provide a gas sensor element capable of stabilizing sensor output, and a gas sensor having the gas sensor element.

本発明の一態様は、混成電位を利用するガスセンサ(1)に用いられるガスセンサ素子(2)であって、
イオン伝導性を有する固体電解質体(21)と、上記固体電解質体の第1表面(201)に形成され、検出対象ガス(G)に晒される検出電極(22)と、上記固体電解質体の第2表面(202)における上記検出電極に対向する位置に形成された基準電極(23)と、を有しており、
上記検出電極は、多数の気孔(22c)を有しており、
上記検出電極の表面における上記気孔の表面開口割合と上記検出電極の厚みμmとの積が、0.3μm以上4μm以下である、ガスセンサ素子(2)にある。
One aspect of the present invention is a gas sensor element (2) used in a gas sensor (1) that utilizes a mixed potential,
a solid electrolyte body (21) having ionic conductivity; a detection electrode (22) formed on a first surface (201) of the solid electrolyte body and exposed to a detection target gas (G); and a reference electrode (23) formed at a position facing the detection electrode on the second surface (202) of the solid electrolyte body,
The detection electrode has a large number of pores (22c),
In the gas sensor element (2), the product of the surface opening ratio of the pores on the surface of the detection electrode and the thickness μm of the detection electrode is 0.3 μm or more and 4 μm or less.

本発明の他の態様は、混成電位を利用するガスセンサ(1)であって、
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 a gas sensor (1) utilizing mixed potentials, comprising:
A gas sensor (1) having the above gas sensor element.

上記ガスセンサ素子は、検出電極が多数の気孔を有しており、検出電極の表面における気孔の表面開口割合と検出電極の厚みμmとの積が上記特定範囲にある。そのため、上記ガスセンサ素子は、センサ出力を安定化させることができる。 In the gas sensor element, the detection electrode has a large number of pores, and the product of the surface opening ratio of the pores on the surface of the detection electrode and the thickness μm of the detection electrode is within the specific range. Therefore, the gas sensor element can stabilize the sensor output.

上記ガスセンサは、上記ガスセンサ素子を有する。そのため、上記ガスセンサによれば、センサ出力を安定化させることが可能な混成電位式のガスセンサが得られる。 The gas sensor has the gas sensor element. Therefore, according to the above gas sensor, a mixed potential type gas sensor capable of stabilizing the sensor output can be obtained.

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。 It should be noted that the symbols in parentheses described in the claims and means for solving the problems indicate the correspondence with specific means described in the embodiments described later, and do not limit the technical scope of the present invention.

図1は、実施形態1のガスセンサ、ガスセンサ素子を示した説明図である。FIG. 1 is an explanatory view showing the gas sensor and gas sensor element of Embodiment 1. FIG. 図2は、図1に示したII-II線矢視断面を示した説明図である。FIG. 2 is an explanatory diagram showing a cross section taken along line II-II shown in FIG. 図3は、実施形態1のガスセンサ素子において、検出電極の表面における気孔の表面開口割合と検出電極の厚みとの積の技術的意義を説明するための説明図であり、(a)は、従来のガスセンサ素子の検出電極の断面、(b)は、実施形態1のガスセンサ素子の検出電極の断面を模式的に示した図である。3A and 3B are explanatory diagrams for explaining the technical significance of the product of the surface opening ratio of pores on the surface of the detection electrode and the thickness of the detection electrode in the gas sensor element of Embodiment 1. FIG. 3A is a cross-sectional view of a detection electrode of a conventional gas sensor element, and FIG. 図4は、実施形態1のガスセンサ素子において、検出電極表面の気孔の表面開口割合を測定する際に取得される、走査型電子顕微鏡による検出電極表面の反射電子像の一例を示した図である。FIG. 4 is a diagram showing an example of a backscattered electron image of the surface of the detection electrode obtained by a scanning electron microscope when measuring the surface opening ratio of pores on the surface of the detection electrode in the gas sensor element of Embodiment 1. 図5は、図4の反射電子像を二値化処理してなる二値化画像の一例を示した図である。FIG. 5 is a diagram showing an example of a binarized image obtained by binarizing the backscattered electron image of FIG. 図6は、実施形態1のガスセンサが配置された内燃機関の排気系を示した説明図である。FIG. 6 is an explanatory diagram showing an exhaust system of an internal combustion engine in which the gas sensor of Embodiment 1 is arranged. 図7は、実施形態2のガスセンサ素子における、検出電極の平均厚みTave、最大厚みTmax、最小厚みTminの定義および測定方法を説明するための説明図である。FIG. 7 is an explanatory diagram for explaining definitions and measuring methods of the average thickness T ave , the maximum thickness T max , and the minimum thickness T min of the detection electrodes in the gas sensor element of Embodiment 2. FIG. 図8は、実験例1で作製したガスセンサ素子、ガスセンサについて得られた、検出電極の温度が400℃のときの、検出電極の表面における気孔の表面開口割合と検出電極の厚みとの積[μm](横軸)とアンモニア出力[V](縦軸)との関係を示したグラフである。FIG. 8 is a graph showing the relationship between the product [μm] (horizontal axis) of the surface opening ratio of pores on the surface of the detecting electrode and the thickness of the detecting electrode and the ammonia output [V] (vertical axis) when the temperature of the detecting electrode is 400° C., obtained for the gas sensor element and the gas sensor produced in Experimental Example 1. 図9は、実験例1で作製したガスセンサ素子、ガスセンサについて得られた、検出電極の温度が450℃のときの、検出電極の表面における気孔の表面開口割合と検出電極の厚みとの積[μm](横軸)とアンモニア出力[V](縦軸)との関係を示したグラフである。FIG. 9 is a graph showing the relationship between the product [μm] (horizontal axis) of the surface opening ratio of pores on the surface of the detecting electrode and the thickness of the detecting electrode and the ammonia output [V] (vertical axis) when the temperature of the detecting electrode is 450° C., obtained for the gas sensor element and the gas sensor produced in Experimental Example 1. 図10は、実験例1で作製したガスセンサ素子、ガスセンサについて得られた、検出電極の温度が500℃のときの、検出電極の表面における気孔の表面開口割合と検出電極の厚みとの積[μm](横軸)とアンモニア出力[V](縦軸)との関係を示したグラフである。FIG. 10 is a graph showing the relationship between the product [μm] (horizontal axis) of the surface opening ratio of pores on the surface of the detecting electrode and the thickness of the detecting electrode and the ammonia output [V] (vertical axis) obtained for the gas sensor element and the gas sensor produced in Experimental Example 1 when the temperature of the detecting electrode is 500° C. 図11は、実験例1で作製したガスセンサ素子、ガスセンサについて得られた、検出電極の温度が400℃のときの、検出電極の表面における気孔の表面開口割合と検出電極の厚みとの積[μm](横軸)と二酸化窒素出力[V](縦軸)との関係を示したグラフである。FIG. 11 is a graph showing the relationship between the product [μm] (horizontal axis) of the surface opening ratio of the pores on the surface of the detecting electrode and the thickness of the detecting electrode and the nitrogen dioxide output [V] (vertical axis) when the temperature of the detecting electrode is 400° C., obtained for the gas sensor element and the gas sensor produced in Experimental Example 1. 図12は、実験例1で作製したガスセンサ素子、ガスセンサについて得られた、検出電極の温度が450℃のときの、検出電極の表面における気孔の表面開口割合と検出電極の厚みとの積[μm](横軸)と二酸化窒素出力[V](縦軸)との関係を示したグラフである。12 is a graph showing the relationship between the product [μm] (horizontal axis) of the surface opening ratio of the pores on the surface of the detecting electrode and the thickness of the detecting electrode and the nitrogen dioxide output [V] (vertical axis) obtained for the gas sensor element and the gas sensor produced in Experimental Example 1 when the temperature of the detecting electrode is 450° C. 図13は、実験例1で作製したガスセンサ素子、ガスセンサについて得られた、検出電極の温度が500℃のときの、検出電極の表面における気孔の表面開口割合と検出電極の厚みとの積[μm](横軸)と二酸化窒素出力[V](縦軸)との関係を示したグラフである。FIG. 13 is a graph showing the relationship between the product [μm] (horizontal axis) of the surface opening ratio of the pores on the surface of the detecting electrode and the thickness of the detecting electrode and the nitrogen dioxide output [V] (vertical axis) when the temperature of the detecting electrode is 500° C., obtained for the gas sensor element and the gas sensor produced in Experimental Example 1. 図14は、実験例2にて得られた、|(Tmax-Tave)/Tave|の値[-](横軸)とアンモニア出力[V](縦軸)との関係を示したグラフである。14 is a graph showing the relationship between the value of |(T max −T ave )/T ave | [−] (horizontal axis) and the ammonia output [V] (vertical axis) obtained in Experimental Example 2. FIG. 図15は、実験例2にて得られた、|(Tmin-Tave)/Tave|の値[-](横軸)とアンモニア出力[V](縦軸)との関係を示したグラフである。FIG. 15 is a graph showing the relationship between the value of |(T min −T ave )/T ave | [−] (horizontal axis) and the ammonia output [V] (vertical axis) obtained in Experimental Example 2.

(実施形態1)
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6を用いて説明する。
(Embodiment 1)
A gas sensor element and a gas sensor according to Embodiment 1 will be described with reference to FIGS. 1 to 6. FIG.

先ず、本実施形態のガスセンサ素子について説明する。図1、図2、図6に例示されるように、本実施形態のガスセンサ素子2は、混成電位を利用する本実施形態のガスセンサ1(詳しくは後述する)に用いられるものである。 First, the gas sensor element of this embodiment will be described. As illustrated in FIGS. 1, 2, and 6, the gas sensor element 2 of this embodiment is used in a gas sensor 1 of this embodiment (details will be described later) that utilizes a mixed potential.

ガスセンサ素子2は、固体電解質体21と、固体電解質体21の第1表面201に形成され、検出対象ガスGに晒される検出電極22と、固体電解質体21の第2表面202における検出電極22に対向する位置に形成された基準電極23とを有している。 The gas sensor element 2 includes a solid electrolyte body 21, a detection electrode 22 formed on a first surface 201 of the solid electrolyte body 21 and exposed to the detection target gas G, and a reference electrode 23 formed on the second surface 202 of the solid electrolyte body 21 at a position facing the detection electrode 22.

ガスセンサ素子2において、固体電解質体21は、イオン伝導性を有している。具体的には、固体電解質体21は、酸素イオン伝導性を有する固体電解質より構成することができる。また、固体電解質体21は、プロトン伝導性を有する固体電解質より構成することもできる。酸素イオン伝導性を有する固体電解質体21は、酸素イオン伝導性を有するジルコニア系材料より構成することができる。ジルコニア系材料としては、ジルコニア中にイットリア(酸化イットリウム)等の希土類金属元素の酸化物(安定化剤)を含む安定化ジルコニアまたは部分安定化ジルコニアなどを例示することができる。また、プロトン伝導性を有する固体電解質体21は、例えば、ジルコン酸ストロンチウム、ジルコン酸バリウム、セリウム酸ストロンチウム、セリウム酸バリウム、リン酸ランタンなどより構成することができる。 In the gas sensor element 2, the solid electrolyte body 21 has ionic conductivity. Specifically, the solid electrolyte body 21 can be composed of a solid electrolyte having oxygen ion conductivity. Moreover, the solid electrolyte body 21 can also be composed of a solid electrolyte having proton conductivity. The solid electrolyte body 21 having oxygen ion conductivity can be made of a zirconia-based material having oxygen ion conductivity. Examples of zirconia-based materials include stabilized zirconia or partially stabilized zirconia containing an oxide (stabilizer) of a rare earth metal element such as yttria (yttrium oxide) in zirconia. The solid electrolyte body 21 having proton conductivity can be made of, for example, strontium zirconate, barium zirconate, strontium cerate, barium cerate, lanthanum phosphate, or the like.

検出電極22は、図3(b)、図4、図5などに例示されるように、多数の気孔22cを有している。つまり、検出電極22は、多孔質に形成されており、検出電極22の骨格をなす骨格部220と、気孔22cとを有している。検出電極22の気孔22cは、検出電極22の表面に表面開口221cを有する。気孔22cは、表面開口221cから内部に延びている。なお、検出電極22は、検出電極22の表面に開口しない閉気孔(不図示)を含んでいてもよい。 The detection electrode 22 has a large number of pores 22c, as illustrated in FIGS. That is, the detection electrode 22 is formed porous, and has a skeleton portion 220 forming a skeleton of the detection electrode 22 and pores 22c. The pores 22 c of the detection electrode 22 have surface openings 221 c on the surface of the detection electrode 22 . Pores 22c extend inwardly from surface openings 221c. Note that the detection electrode 22 may include closed pores (not shown) that do not open on the surface of the detection electrode 22 .

検出電極22は、貴金属22aを含むことができる。また、検出電極22は、具体的には、イオン電導性を有する固体電解質22bを含んでいてもよい。具体的には、検出電極22の骨格部220は、貴金属22aと、イオン電導性を有する固体電解質22bとを含むことができる。貴金属22aは、検出対象ガスGに対する触媒活性を有しておればよい。貴金属22aは、金を主成分とすることができる。金を主成分とするとは、貴金属22aを構成する金属成分における50モル%以上が金であることを意味する。したがって、金を主成分とする貴金属22aは、金のみならず、組成比で50モル%以上が金である金合金等を含む。上記金合金における金と合金化する相手元素としては、例えば、パラジウム(Pd)、白金(Pt)、ロジウム(Rh)、イリジウム(Ir)、ニッケル(Ni)、銀(Ag)、銅(Cu)、亜鉛(Zn)などが挙げられ、これらは1種または2種以上含まれていてもよい。上記金合金としては、具体的には、金とパラジウムとの合金、金と白金との合金、金とロジウムとの合金、金とイリジウムとの合金、金とニッケルとの合金、金と銀との合金、金と銅との合金、金と亜鉛との合金などが挙げられる。なお、上記金合金において50モル%以上が金であれば、金と合金化する相手元素の特性よりも金の特性が優勢となるため、検出対象ガスGに対する触媒活性の低下を抑制することができる。固体電解質22bは、酸素イオン伝導性を有する固体電解質より構成することができる。また、固体電解質22bは、プロトン伝導性を有する固体電解質より構成することもできる。酸素イオン伝導性を有する固体電解質22bは、酸素イオン伝導性を有するジルコニア系材料より構成することができる。ジルコニア系材料としては、ジルコニア中にイットリア(酸化イットリウム)等の希土類金属元素の酸化物を含む安定化ジルコニアまたは部分安定化ジルコニアなどを用いることができる。また、プロトン伝導性を有する固体電解質22bは、例えば、ジルコン酸ストロンチウム、ジルコン酸バリウム、セリウム酸ストロンチウム、セリウム酸バリウム、リン酸ランタンなどより構成することができる。なお、検出電極22が、貴金属22aと固体電解質22bとを含む場合、検出電極22全体に占める貴金属22aおよび固体電解質22bの合計含有量は50質量%以上とすることができる。また、検出電極22は、他にも、例えば、アルミニウム(Al)、アルミナ(Al)などを含んでいてもよい。 Sensing electrode 22 may include a noble metal 22a. Further, the detection electrode 22 may specifically include a solid electrolyte 22b having ionic conductivity. Specifically, the skeleton portion 220 of the detection electrode 22 can include a noble metal 22a and a solid electrolyte 22b having ionic conductivity. The noble metal 22a only needs to have catalytic activity with respect to the gas G to be detected. The noble metal 22a can be mainly composed of gold. Having gold as the main component means that 50 mol % or more of the metal component constituting the noble metal 22a is gold. Therefore, the noble metal 22a containing gold as a main component includes not only gold but also gold alloys in which 50 mol % or more of the composition is gold. Examples of the partner element to be alloyed with gold in the gold alloy include palladium (Pd), platinum (Pt), rhodium (Rh), iridium (Ir), nickel (Ni), silver (Ag), copper (Cu), zinc (Zn), and the like, and one or more of these may be contained. Specific examples of the gold alloy include an alloy of gold and palladium, an alloy of gold and platinum, an alloy of gold and rhodium, an alloy of gold and iridium, an alloy of gold and nickel, an alloy of gold and silver, an alloy of gold and copper, an alloy of gold and zinc, and the like. If 50 mol % or more of the gold alloy is gold, the properties of gold are superior to those of the other element alloyed with gold. The solid electrolyte 22b can be composed of a solid electrolyte having oxygen ion conductivity. Further, the solid electrolyte 22b can also be composed of a solid electrolyte having proton conductivity. The solid electrolyte 22b having oxygen ion conductivity can be made of a zirconia-based material having oxygen ion conductivity. As the zirconia-based material, stabilized zirconia containing an oxide of a rare earth metal element such as yttria (yttrium oxide) in zirconia, partially stabilized zirconia, or the like can be used. The solid electrolyte 22b having proton conductivity can be made of, for example, strontium zirconate, barium zirconate, strontium cerate, barium cerate, lanthanum phosphate, or the like. In addition, when the detection electrode 22 contains the noble metal 22a and the solid electrolyte 22b, the total content of the noble metal 22a and the solid electrolyte 22b in the entire detection electrode 22 can be 50% by mass or more. In addition, the detection electrode 22 may also contain, for example, aluminum (Al), alumina (Al 2 O 3 ), or the like.

検出電極22に用いられる固体電解質には、上述した固体電解質体21を構成する固体電解質と同種のものを用いることができる。これにより、検出電極22に用いられる固体電解質22bを、気孔22cを形成するだけでなく、固体電解質体21と焼結する際の共材として機能させることもできる。なお、上述したジルコニア系材料においては、安定化剤の種類および安定化剤の固溶量が同じであるジルコニア系材料のみならず、安定化剤の種類が同じであるが安定化剤の固溶量が異なるジルコニア系材料同士も同種のジルコニア系材料の範疇とされる。 As the solid electrolyte used for the detection electrode 22, the same type of solid electrolyte as that constituting the solid electrolyte body 21 described above can be used. Thereby, the solid electrolyte 22b used for the detection electrode 22 can not only form the pores 22c but also function as a common material when sintered with the solid electrolyte body 21 . In addition, in the zirconia-based materials described above, not only zirconia-based materials having the same type of stabilizer and the same solid-solution amount of the stabilizer, but also zirconia-based materials having the same type of stabilizer but different solid-solution amounts of the stabilizer are included in the same type of zirconia-based material.

ここで、ガスセンサ素子2においては、検出電極22の表面における気孔22cの表面開口割合と検出電極22の厚みμmとの積が、0.3μm以上4μm以下とされている。上記の積を規定する技術的意義は、以下の通りである。 Here, in the gas sensor element 2, the product of the surface opening ratio of the pores 22c on the surface of the detection electrode 22 and the thickness μm of the detection electrode 22 is set to 0.3 μm or more and 4 μm or less. The technical significance of defining the above product is as follows.

一般的に用いられる気孔率は、電気化学的酸化還元反応に寄与する開気孔以外にも、電気化学的酸化還元反応に寄与しない閉気孔も含む。そのため、単に検出電極22の気孔率を規定しただけでは、混成電位式のガスセンサ1のセンサ出力を安定化させることが難しい。そこで、本発明者らは、種々の実験を行い、試行錯誤した結果、以下の点を見出した。すなわち、混成電位式のガスセンサ1における出力安定化には、検出電極22におけるガスの取り込み易さ、ガスの排出し易さが重要となる。ガスの取り込み易さ、ガスの排出し易さは、検出電極22の表面における気孔22cの表面開口割合と検出電極の厚みμmとの積によって整理することができる。具体的には、検出電極22の表面における気孔22cの表面開口割合(単位:なし)は、検出電極22の表面から内部へのガスの取り込み、および、検出電極22の内部から表面へのガスの排出し易さと関係のある尺度である。また、検出電極22の厚み(単位:μm)は、検出電極22の表面の情報を三次元情報とするための尺度である。これらより、検出電極22の表面における気孔22cの表面開口割合と検出電極の厚みとの積(単位:μm)は、検出電極22の表面における気孔22cの表面開口割合が三次元的に広がる状態を表す尺度としての意義がある。混成電位式のガスセンサ1のセンサ出力は、新たな尺度である上記の積によって整理することができる。特にアンモニアガスのように吸着性の高いガスについて安定的にセンサ出力を得る際には、上述したガスの取り込み、ガスの排出し易さは重要な要素となる。 The commonly used porosity includes not only open pores that contribute to electrochemical redox reactions, but also closed pores that do not contribute to electrochemical redox reactions. Therefore, it is difficult to stabilize the sensor output of the mixed potential type gas sensor 1 simply by specifying the porosity of the detection electrode 22 . Therefore, the present inventors conducted various experiments and found out the following points as a result of trial and error. In other words, the easiness of taking in the gas in the detection electrode 22 and the easiness of discharging the gas are important for stabilizing the output of the mixed potential type gas sensor 1 . The easiness of gas intake and easiness of gas discharge can be arranged by the product of the surface opening ratio of the pores 22c on the surface of the detection electrode 22 and the thickness μm of the detection electrode. Specifically, the surface opening ratio (unit: none) of the pores 22c on the surface of the detection electrode 22 is a measure related to the ease with which gas is taken into the interior from the surface of the detection electrode 22 and the gas is discharged from the interior to the surface of the detection electrode 22. Further, the thickness (unit: μm) of the detection electrode 22 is a scale for making information on the surface of the detection electrode 22 into three-dimensional information. From these, the product (unit: μm) of the surface opening ratio of the pores 22c on the surface of the detection electrode 22 and the thickness of the detection electrode is significant as a scale representing the state in which the surface opening ratio of the pores 22c on the surface of the detection electrode 22 expands three-dimensionally. The sensor output of the mixed-potential gas sensor 1 can be ordered by a new measure, the above product. In particular, when obtaining a stable sensor output for a highly adsorbable gas such as ammonia gas, the ease with which the gas is taken in and discharged is an important factor.

具体的には、図3(a)に従来のガスセンサ素子の検出電極9の断面、図3(b)に本実施形態のガスセンサ素子2の検出電極22の断面を模式的に示す。図3(a)の検出電極9と図3(b)の検出電極22とは同じ気孔率であるとする。しかし、気孔率が同じであっても、従来の検出電極9の表面には、気孔22cによる表面開口221cが実質的になく、気孔22cが表面にて閉塞している。これに対し、検出電極22の表面には、気孔22cによる表面開口221cが多数存在している。そのため、このような微構造を有する検出電極22では、ガスg1の取り込み、検出電極22からの生成ガスg3の排出が促進される。 Specifically, FIG. 3A schematically shows a cross section of the detection electrode 9 of the conventional gas sensor element, and FIG. 3B schematically shows a cross section of the detection electrode 22 of the gas sensor element 2 of this embodiment. It is assumed that the detection electrode 9 in FIG. 3(a) and the detection electrode 22 in FIG. 3(b) have the same porosity. However, even if the porosity is the same, the surface of the conventional detection electrode 9 has substantially no surface openings 221c due to the pores 22c, and the pores 22c are closed on the surface. On the other hand, the surface of the detection electrode 22 has many surface openings 221c formed by pores 22c. Therefore, in the detection electrode 22 having such a microstructure, the uptake of the gas g1 and the discharge of the generated gas g3 from the detection electrode 22 are promoted.

検出電極22の表面における気孔22cの表面開口割合と検出電極22の厚みμmとの積(以下、単に、「表面開口割合×検出電極厚み」ということがある。)が相対的に小さいことは、検出電極22の表面における気孔22cの表面開口面積が小さく、検出電極22内に十分なガス流通経路が確保されなくなることを意味する。一方、表面開口割合×検出電極厚みが相対的に大きいことは、検出電極22の表面における気孔22cの表面開口面積が大きく、検出電極22内に十分なガス流通経路が確保されることを意味する。ガスセンサ素子2において、表面開口割合×検出電極厚みが、0.3μm以上4μm以下である場合には、センサ出力を安定化させることができる。これは、表面開口割合×検出電極厚みが特定範囲にあることにより、検出電極22へのガスの取り込み、検出電極22からのガスの排出が促進され、混成電位発現の前提条件となる電気化学的酸化還元反応の速度の偏り(非平衡状態)が持続されるためであると考えられる。 The fact that the product of the surface opening ratio of the pores 22c on the surface of the detection electrode 22 and the thickness μm of the detection electrode 22 (hereinafter sometimes simply referred to as “surface opening ratio×detection electrode thickness”) is relatively small means that the surface opening area of the pores 22c on the surface of the detection electrode 22 is small, and a sufficient gas flow path cannot be secured in the detection electrode 22. On the other hand, the fact that the surface opening ratio×detection electrode thickness is relatively large means that the surface opening area of the pores 22c on the surface of the detection electrode 22 is large, and a sufficient gas flow path is ensured in the detection electrode 22. In the gas sensor element 2, the sensor output can be stabilized when the surface opening ratio×detection electrode thickness is 0.3 μm or more and 4 μm or less. This is believed to be because the surface opening ratio×detection electrode thickness being within a specific range promotes gas uptake into the detection electrode 22 and discharge of gas from the detection electrode 22, and maintains the imbalance (non-equilibrium state) in the speed of the electrochemical oxidation-reduction reaction, which is a prerequisite for the expression of the mixed potential.

表面開口割合×検出電極厚みが0.3μm未満になると、検出電極22へのガスの取り込み、検出電極22からのガスの排出がされ難くなり、センサ出力が安定しない。一方、表面開口割合×検出電極厚みが0.3μm以上になると、検出電極22へのガスの取り込み、検出電極22からのガスの排出は、活性化する。しかしながら、表面開口割合×検出電極厚みが4μmを超えると、混成電位において、センサ出力向上に寄与する特定ガス成分の電気化学的酸化反応または電気化学的還元反応よりも、センサ出力低下の要因となる、酸素の電気化学的還元反応または酸素イオンの電気化学的酸化反応が活性化される。その結果、センサ出力が低下する傾向が見られる。表面開口割合×検出電極厚みは、センサ出力の確保、センサ出力の安定化などの観点から、好ましくは、0.4μm以上、より好ましくは、0.5μm以上、さらに好ましくは、0.6μm以上、さらにより好ましくは、0.7μm以上、さらにより一層好ましくは、0.8μm以上、最も好ましくは、1μm以上とすることができる。一方、表面開口割合×検出電極厚みは、センサ出力の向上、センサ出力の安定化などの観点から、好ましくは、3.9μm以下、より好ましくは、3.8μm以下、さらに好ましくは、3.7μm以下、さらにより好ましくは、3.6μm以下、さらにより一層好ましくは、3.5μm以下とすることができる。なお、表面開口割合×検出電極厚みの上下限の数値は、後述する実験例による図面に記載の値も含めて任意に組みわせることができる。 If the surface opening ratio×detection electrode thickness is less than 0.3 μm, it becomes difficult for gas to be taken into the detection electrode 22 and discharged from the detection electrode 22, resulting in unstable sensor output. On the other hand, when the surface opening ratio×detection electrode thickness becomes 0.3 μm or more, gas intake into the detection electrode 22 and gas discharge from the detection electrode 22 are activated. However, when the surface opening ratio×detection electrode thickness exceeds 4 μm, at the mixed potential, the electrochemical reduction reaction of oxygen or the electrochemical oxidation reaction of oxygen ions, which causes the sensor output to decrease, is activated rather than the electrochemical oxidation reaction or electrochemical reduction reaction of the specific gas component that contributes to the improvement of the sensor output. As a result, the sensor output tends to decrease. From the viewpoint of ensuring sensor output, stabilizing sensor output, etc., the surface opening ratio×detection electrode thickness is preferably 0.4 μm or more, more preferably 0.5 μm or more, still more preferably 0.6 μm or more, even more preferably 0.7 μm or more, even more preferably 0.8 μm or more, and most preferably 1 μm or more. On the other hand, the surface opening ratio×detection electrode thickness is preferably 3.9 μm or less, more preferably 3.8 μm or less, even more preferably 3.7 μm or less, even more preferably 3.6 μm or less, and even more preferably 3.5 μm or less, from the viewpoint of improving sensor output and stabilizing sensor output. The numerical values of the upper and lower limits of the ratio of the surface opening times the thickness of the detection electrode can be arbitrarily combined, including the values shown in the drawings according to the experimental examples to be described later.

上述した気孔22cの表面開口割合は、次のようにして測定される。先ず、走査型電子顕微鏡(以下、SEMということがある。)を用いて、検出対象ガスGに晒される検出電極22の表面の反射電子像を取得する。この際、SEMには、FEI社製のFEG-Quanta250(廃番の場合はその後継機)を用いることができる。また、SEM観察条件は、加速電圧:10kV、倍率:10000倍、真空度:50Paとすることができる。図4に、検出電極22表面の反射電子像の一例を示す。図4の反射電子像では、黒色領域が、検出電極22表面における気孔22cの表面開口221cであり、薄い灰色領域および白色領域が、検出電極22の骨格部220である。具体的には、薄い灰色領域は、骨格部220を構成する粒子状の固体電解質22bであり、白色領域は、骨格部220を構成する粒子状の貴金属22aである。次いで、取得した反射電子像について画像解析ソフトによる二値化処理を施し、検出電極22の表面おける気孔22cの表面開口221cを抽出し、表面開口割合を定量する。二値化処理は、検出電極22表面における気孔22cの表面開口221cと、検出電極22表面における骨格部220とを区別することを主な目的とする。表面開口221cと骨格部220とは、相互に輝度が異なる。二値化処理は、撮像画像に残るノイズを除去し、所定の閾値を設定した後に行う。具体的には、二値化処理は、2つの閾値による二値化処理とし、表面開口221cである黒色領域を抽出する際の閾値は0~70(全体:0~255、つまり、骨格部220である薄い灰色領域および白色領域の閾値は71~255)に設定される。なお、明るい点、暗い点の両方において孤立点は除去する。また、膨張、収縮処理(いわゆるスムージング処理)を実施する。図5に、二値化画像の一例を示す。図5の二値化画像では、薄い灰色領域が、抽出された、検出電極22表面における気孔22cの表面開口221cである。抽出した表面開口221cについて、視野中の面積割合を定量する。具体的には、(1視野中の表面開口221cの合計面積)/(1視野の二値化画像全体の面積)の式にて、1視野における表面開口割合(単位:なし)を算出する。上記のようにして1本のガスセンサ素子2を用いて、検出電極22表面の異なる任意の10か所について求めた各二値化画像から得られる、各1視野における表面開口割合の算術平均値が、検出電極22の表面における気孔22cの表面開口割合(単位:なし)とされる。 The surface opening ratio of the pores 22c described above is measured as follows. First, a backscattered electron image of the surface of the detection electrode 22 exposed to the detection target gas G is acquired using a scanning electron microscope (hereinafter sometimes referred to as SEM). At this time, FEG-Quanta 250 manufactured by FEI (or its successor if the model is discontinued) can be used as the SEM. Further, the SEM observation conditions can be acceleration voltage: 10 kV, magnification: 10000 times, and degree of vacuum: 50 Pa. FIG. 4 shows an example of a backscattered electron image of the surface of the detection electrode 22. As shown in FIG. In the backscattered electron image of FIG. 4 , the black area is the surface opening 221 c of the pores 22 c on the surface of the detection electrode 22 , and the light gray area and white area are the skeleton 220 of the detection electrode 22 . Specifically, the light gray region is the particulate solid electrolyte 22b forming the skeleton 220, and the white region is the particulate noble metal 22a forming the skeleton 220. As shown in FIG. Next, the acquired backscattered electron image is subjected to binarization processing using image analysis software to extract the surface openings 221c of the pores 22c on the surface of the detection electrode 22, and the surface opening ratio is quantified. The main purpose of the binarization processing is to distinguish between the surface openings 221c of the pores 22c on the surface of the detection electrode 22 and the skeleton portion 220 on the surface of the detection electrode 22 . The surface opening 221c and the skeleton portion 220 have different luminances. The binarization process is performed after removing noise remaining in the captured image and setting a predetermined threshold value. Specifically, the binarization process is a binarization process using two thresholds, and the threshold for extracting the black area that is the surface opening 221c is set to 0 to 70 (overall: 0 to 255, that is, the threshold for the light gray area and the white area that is the skeleton 220 is set to 71 to 255). Note that isolated points are removed from both bright and dark points. In addition, expansion and contraction processing (so-called smoothing processing) is performed. FIG. 5 shows an example of a binarized image. In the binarized image of FIG. 5, the light gray area is the surface opening 221c of the pore 22c on the surface of the detection electrode 22, which is extracted. The area ratio in the field of view is quantified for the extracted surface aperture 221c. Specifically, the surface aperture ratio (unit: none) in one field of view is calculated by the formula of (total area of surface apertures 221c in one field of view)/(area of entire binarized image in one field of view). The arithmetic average value of the surface aperture ratios in each field of view obtained from each binarized image obtained from each of the binarized images obtained for arbitrary ten different locations on the surface of the detection electrode 22 using one gas sensor element 2 as described above is taken as the surface aperture ratio (unit: none) of the pores 22c on the surface of the detection electrode 22.

また、上述した積を求める際の検出電極22の厚みは、次のようにして測定される。先ず、ガスセンサ素子2における検出電極22と固体電解質体21とを含む部位をエポキシ樹脂に包埋し、検出電極22および固体電解質体21の厚み方向に沿う断面がでるように鏡面研磨する。これを走査型電子顕微鏡(以下、SEMということがある。)による観察用の測定サンプルとする。なお、測定サンプルは、無蒸着の状態とする。次いで、測定サンプルについてSEM観察を行い、SEMの測長モードにて、検出電極22/固体電解質体21の界面から検出電極22表面までの距離を測長する。SEMには、EFI社製、FEG-Quanta250(廃番の場合はその後継機)を用いることがきる。また、SEM撮像条件は、加速電圧:10kV、真空度:50Pa、観察モード:反射電子像、観察倍率:1000倍、撮像視野数:10視野とする。次いで、1視野につき、3か所の検出電極22の厚みを測長し、その算術平均値を、1視野における検出電極22の厚み測定値とする。そして、10視野について、各視野における検出電極22の厚み測定値を求め、その算術平均値が、上記積を求める際の検出電極22の厚み(単位:μm)とされる。 Further, the thickness of the detection electrode 22 when obtaining the product described above is measured as follows. First, a portion of the gas sensor element 2 including the detection electrode 22 and the solid electrolyte body 21 is embedded in epoxy resin and mirror-polished so that cross sections along the thickness direction of the detection electrode 22 and the solid electrolyte body 21 are exposed. This is used as a measurement sample for observation with a scanning electron microscope (hereinafter sometimes referred to as SEM). Note that the measurement sample is in a non-deposited state. Next, the measurement sample is observed with an SEM, and the distance from the interface of the detection electrode 22/solid electrolyte body 21 to the surface of the detection electrode 22 is measured in the length measurement mode of the SEM. For the SEM, FEG-Quanta250 manufactured by EFI (or its successor if the model is discontinued) can be used. The SEM imaging conditions are acceleration voltage: 10 kV, degree of vacuum: 50 Pa, observation mode: backscattered electron image, observation magnification: 1000 times, and number of imaging fields: 10 fields. Next, the thickness of the detection electrode 22 at three locations is measured for one field of view, and the arithmetic average value thereof is taken as the thickness measurement value of the detection electrode 22 in one field of view. Then, the measured values of the thickness of the detection electrode 22 in each of the 10 fields of view are obtained, and the arithmetic average value is taken as the thickness (unit: μm) of the detection electrode 22 when obtaining the above product.

ガスセンサ素子2において、検出電極22表面における気孔22cの表面開口割合は、具体的には、0.05以上0.35以下とすることができる。この構成によれば、検出電極22へのガスの取り込み、検出電極22からのガスの排出が促進され、混成電位発現の前提条件となる電気化学的酸化還元反応の速度の偏り(非平衡状態)がより持続されやすくなる。そのため、この構成によれば、センサ出力の安定化を確実なものとすることができる。 In the gas sensor element 2, the surface opening ratio of the pores 22c on the surface of the detection electrode 22 can be specifically set to 0.05 or more and 0.35 or less. According to this configuration, the intake of gas into the detection electrode 22 and the discharge of gas from the detection electrode 22 are promoted, and the bias in the speed of the electrochemical oxidation-reduction reaction (non-equilibrium state), which is a prerequisite for the expression of the mixed potential, is more likely to be maintained. Therefore, according to this configuration, it is possible to ensure the stabilization of the sensor output.

気孔22cの表面開口割合は、検出電極22へのガスの取り込み促進、検出電極22からのガスの排出促進などの観点から、好ましくは、2%以上、より好ましくは、3%以上、さらに好ましくは、5%以上とすることができる。また、気孔22cの表面開口割合は、酸素の電気化学的還元反応の抑制、酸素イオンの電気化学的酸化反応の抑制などの観点から、好ましくは、25%以下、より好ましくは、20%以下、さらに好ましくは、18%以下とすることができる。なお、気孔22cの表面開口割合の上下限の数値は、任意に組みわせることができる。 The surface opening ratio of the pores 22c is preferably 2% or more, more preferably 3% or more, and still more preferably 5% or more, from the viewpoint of promoting the intake of gas into the detection electrode 22 and the promotion of gas discharge from the detection electrode 22. In addition, the surface opening ratio of the pores 22c is preferably 25% or less, more preferably 20% or less, still more preferably 18% or less from the viewpoint of suppressing the electrochemical reduction reaction of oxygen and the suppression of the electrochemical oxidation reaction of oxygen ions. The numerical values of the upper and lower limits of the surface opening ratio of the pores 22c can be combined arbitrarily.

ガスセンサ素子2において、上述した積を求める際の検出電極22の厚みは、具体的には、3μm以上25μm以下とすることができる。この構成によれば、検出電極22へのガスの取り込み、検出電極22からのガスの排出が促進され、混成電位発現の前提条件となる電気化学的酸化還元反応の速度の偏り(非平衡状態)がより持続されやすくなる。そのため、この構成によれば、センサ出力の安定化を確実なものとすることができる。 In the gas sensor element 2, the thickness of the detection electrode 22 when obtaining the product described above can be specifically set to 3 μm or more and 25 μm or less. According to this configuration, the intake of gas into the detection electrode 22 and the discharge of gas from the detection electrode 22 are promoted, and the bias in the speed of the electrochemical oxidation-reduction reaction (non-equilibrium state), which is a prerequisite for the expression of the mixed potential, is more likely to be maintained. Therefore, according to this configuration, it is possible to ensure the stabilization of the sensor output.

上述した積を求める際の検出電極22の厚みは、検出対象ガスGの電気化学的酸化還元反応の反応点確保などの観点から、好ましくは、3μm以上、より好ましくは、5μm以上、さらに好ましくは、8μm以上とすることができる。また、上述した積を求める際の検出電極22の厚みは、応答性確保などの観点から、好ましくは、25μm以下、より好ましくは、20μm以下、さらに好ましくは、15μm以下とすることができる。なお、検出電極22の厚みの上下限の数値は、任意に組みわせることができる。 The thickness of the detection electrode 22 when obtaining the product described above is preferably 3 μm or more, more preferably 5 μm or more, and still more preferably 8 μm or more from the viewpoint of securing a reaction point for the electrochemical oxidation-reduction reaction of the detection target gas G. In addition, the thickness of the detection electrode 22 when obtaining the product described above can be preferably 25 μm or less, more preferably 20 μm or less, and even more preferably 15 μm or less from the viewpoint of ensuring responsiveness. It should be noted that the numerical values of the upper and lower limits of the thickness of the detection electrode 22 can be combined arbitrarily.

ガスセンサ素子2において、検出電極22は、単層より構成されていてもよいし、複数層から構成されていてもよい。 In the gas sensor element 2, the detection electrode 22 may be composed of a single layer, or may be composed of multiple layers.

ガスセンサ素子2は、アンモニア(NH)ガス、二酸化窒素(NO)ガス、炭化水素ガスなどを検出対象ガスGに含まれる特定ガス成分とすることができる。特定ガス成分がアンモニアガスのとき、特定ガス成分の相手となるガスは、酸素(O)ガスである。同様に、特定ガス成分が二酸化窒素ガスのとき、特定ガス成分の相手となるガスは、酸素(O)ガスである。特定ガス成分が炭化水素ガスのとき、特定ガス成分の相手となるガスは、酸素(O)ガスである。 The gas sensor element 2 can use ammonia (NH 3 ) gas, nitrogen dioxide (NO 2 ) gas, hydrocarbon gas, etc. as specific gas components contained in the gas G to be detected. When the specific gas component is ammonia gas, the partner gas of the specific gas component is oxygen (O 2 ) gas. Similarly, when the specific gas component is nitrogen dioxide gas, the partner gas of the specific gas component is oxygen (O 2 ) gas. When the specific gas component is a hydrocarbon gas, the partner gas of the specific gas component is oxygen (O 2 ) gas.

ガスセンサ素子2は、アンモニアガスおよび二酸化窒素ガスのうち少なくとも一方を検出するものとすることができる。ガスセンサ素子2がアンモニアガスを検出するものである場合、アンモニアガスは吸着性の高いガスであるが、検出電極22へのガスの取り込み、および、検出電極22からのガスの排出が促進される検出電極22により、センサ出力の安定化効果が大きくなる。また、ガスセンサ素子2が二酸化窒素ガスを検出するものである場合、二酸化窒素ガスはアンモニアガスと同様に吸着性の高いガスであるが、検出電極22へのガスの取り込み、および、検出電極22からのガスの排出が促進される検出電極22により、センサ出力の安定化効果が大きくなる。 The gas sensor element 2 can detect at least one of ammonia gas and nitrogen dioxide gas. In the case where the gas sensor element 2 detects ammonia gas, ammonia gas is a highly adsorbable gas, but the detection electrode 22 that promotes the intake of the gas into the detection electrode 22 and the discharge of the gas from the detection electrode 22 increases the stabilizing effect of the sensor output. Further, when the gas sensor element 2 detects nitrogen dioxide gas, the nitrogen dioxide gas is a highly adsorbable gas like ammonia gas, but the detection electrode 22 promotes the intake of the gas into the detection electrode 22 and the discharge of the gas from the detection electrode 22, thereby increasing the stabilizing effect of the sensor output.

以下、本実施形態のガスセンサ素子2の詳細構成の一例について示すが、本実施形態のガスセンサ素子2は、以下の構成に限定されるものではない。 An example of the detailed configuration of the gas sensor element 2 of this embodiment will be described below, but the gas sensor element 2 of this embodiment is not limited to the following configuration.

図1、図2に示されるガスセンサ素子2は、検出電極22および基準電極23が設けられた固体電解質体21と、発熱体41が埋設された絶縁体3とが積層されて構成されている。ガスセンサ素子2は、長尺形状に形成されている。ガスセンサ素子2の長手方向Xの先端側X1の部位は、ガスセンサ1を構成するカバー内に収容された状態で、後述する排気管71内に配置される。ガスセンサ素子2においては、長手方向Xに直交して固体電解質体21と絶縁体3とが積層された方向を積層方向Dといい、長手方向Xおよび積層方向Dの両方に直交する方向を幅方向Wという。 The gas sensor element 2 shown in FIGS. 1 and 2 is constructed by stacking a solid electrolyte body 21 provided with a detection electrode 22 and a reference electrode 23 and an insulator 3 in which a heating element 41 is embedded. The gas sensor element 2 is formed in an elongated shape. A portion of the gas sensor element 2 on the front end side X1 in the longitudinal direction X is accommodated in a cover that constitutes the gas sensor 1 and is arranged in an exhaust pipe 71 to be described later. In the gas sensor element 2, the direction perpendicular to the longitudinal direction X in which the solid electrolyte body 21 and the insulator 3 are laminated is called the lamination direction D, and the direction perpendicular to both the longitudinal direction X and the lamination direction D is called the width direction W.

固体電解質体21は、板状に形成されている。固体電解質体21の、検出対象ガスGに晒される第1表面201は、ガスセンサ素子2における最も外側の表面を形成する。そして、第1表面201に設けられた検出電極22には、検出対象ガスGが接触しやすい状態が形成されている。図1、図2では、検出電極22の表面には、セラミックスの多孔質体等による保護層が設けられていない。そのため、検出電極22には、検出対象ガスGが拡散律速されずに接触することができる。なお、検出電極22の表面には、検出対象ガスGの流速を極力低下させない保護層を設けることも可能である。 Solid electrolyte body 21 is formed in a plate shape. A first surface 201 of the solid electrolyte body 21 exposed to the detection target gas G forms the outermost surface of the gas sensor element 2 . The detection electrodes 22 provided on the first surface 201 are formed in a state in which the gas G to be detected easily comes into contact. In FIGS. 1 and 2, the surface of the detection electrode 22 is not provided with a protective layer made of a ceramic porous material or the like. Therefore, the gas G to be detected can come into contact with the detection electrode 22 without being diffusion-controlled. It is also possible to provide a protective layer on the surface of the detection electrode 22 so as not to reduce the flow velocity of the detection target gas G as much as possible.

固体電解質体21の第2表面202には、大気が導入される基準ガスダクト(大気ダクト)24が隣接して形成されている。固体電解質体21の第2表面202と、固体電解質体21の第2表面202に設けられた基準電極23とは、基準ガスAとしての大気に晒される。 A reference gas duct (air duct) 24 into which air is introduced is formed adjacent to the second surface 202 of the solid electrolyte body 21 . The second surface 202 of the solid electrolyte body 21 and the reference electrode 23 provided on the second surface 202 of the solid electrolyte body 21 are exposed to the atmosphere as the reference gas A.

検出電極22は、固体電解質体21における、酸素およびアンモニアが含まれる検出対象ガスGに晒される第1表面201に設けられている。検出電極22は、貴金属22aとイオン伝導性を有する固体電解質22bとを含んでいる。ここでは、固体電解質体21と焼結する際の共材となるイオン伝導性を有する固体電解質22bとして、酸素イオン伝導性を有するジルコニア系材料が用いられる。このジルコニア系材料には、イットリア(酸化イットリウム)等の希土類金属元素の酸化物を含む安定化ジルコニアまたは部分安定化ジルコニアなどが用いられる。なお、固体電解質体21の第1表面201には、検出電極22に繋がるリード部221が設けられている。リード部221は、検出電極22をガスセンサ1の外部と電気接続するために用いられる。 The detection electrode 22 is provided on the first surface 201 of the solid electrolyte body 21 exposed to the detection target gas G containing oxygen and ammonia. The detection electrode 22 includes a noble metal 22a and an ionically conductive solid electrolyte 22b. Here, a zirconia-based material having oxygen ion conductivity is used as the solid electrolyte 22b having ion conductivity, which is a common material when sintered with the solid electrolyte body 21. As shown in FIG. Stabilized zirconia containing an oxide of a rare earth metal element such as yttria (yttrium oxide) or partially stabilized zirconia is used as the zirconia-based material. A lead portion 221 connected to the detection electrode 22 is provided on the first surface 201 of the solid electrolyte body 21 . The lead portion 221 is used to electrically connect the detection electrode 22 to the outside of the gas sensor 1 .

基準電極23は、固体電解質体21における、第1表面201とは反対側の第2表面202に設けられている。基準電極23は、固体電解質体21を介して検出電極22と対向する位置に形成されている。固体電解質体21の第2表面202と、第2表面202に設けられた基準電極23とは、基準ガスAとしての大気に晒されている。基準電極23は、酸素に対する触媒活性を有する貴金属、および、固体電解質体21と焼結する際の共材となるジルコニア系材料を含有している。基準電極23を構成する貴金属には、白金(Pt)等を用いることができる。なお、固体電解質体21の第2表面202には、基準電極23に繋がるリード部231が設けられている。リード部231は、基準電極23をガスセンサ1の外部と電気接続するために用いられる。 Reference electrode 23 is provided on second surface 202 of solid electrolyte body 21 opposite to first surface 201 . The reference electrode 23 is formed at a position facing the detection electrode 22 with the solid electrolyte body 21 interposed therebetween. The second surface 202 of the solid electrolyte body 21 and the reference electrode 23 provided on the second surface 202 are exposed to the atmosphere as the reference gas A. The reference electrode 23 contains a noble metal having catalytic activity against oxygen, and a zirconia-based material that serves as a common material when sintered with the solid electrolyte body 21 . Platinum (Pt) or the like can be used as the noble metal forming the reference electrode 23 . A lead portion 231 connected to the reference electrode 23 is provided on the second surface 202 of the solid electrolyte body 21 . The lead portion 231 is used to electrically connect the reference electrode 23 to the outside of the gas sensor 1 .

ガスセンサ素子2においては、検出電極22、基準電極23、および、検出電極22と基準電極23との間に挟まれた固体電解質体21の部分とによって、酸素イオンが伝導する検出セルが形成される。発熱体41の発熱部411の発熱によるガスセンサ素子2の温度は、検出セルの温度が所定の作動温度になるように制御される。 In the gas sensor element 2, the detection electrode 22, the reference electrode 23, and the portion of the solid electrolyte body 21 sandwiched between the detection electrode 22 and the reference electrode 23 form a detection cell that conducts oxygen ions. The temperature of the gas sensor element 2 due to the heat generated by the heat generating portion 411 of the heat generating body 41 is controlled so that the temperature of the detection cell becomes a predetermined operating temperature.

絶縁体3は、基準ガスダクト24を形成する切欠き部が設けられたスペーサ絶縁体部31と、発熱体41が埋設されたヒータ絶縁体部32とによって形成されている。絶縁体3は、アルミナ等の絶縁性のセラミックス材料によって構成されている。基準ガスダクト24は、基準電極23が配置された位置から長手方向Xの基端側X2の位置まで形成されている。基準ガスダクト24内には、長手方向Xの基端側X2の位置に形成された開口部241から基準ガスAとしての大気が導入される。 The insulator 3 is formed by a spacer insulator portion 31 provided with a notch portion forming the reference gas duct 24 and a heater insulator portion 32 in which the heating element 41 is embedded. The insulator 3 is made of an insulating ceramic material such as alumina. The reference gas duct 24 is formed from the position where the reference electrode 23 is arranged to the position on the base end side X2 in the longitudinal direction X. As shown in FIG. Air as a reference gas A is introduced into the reference gas duct 24 from an opening 241 formed at a position on the base end side X2 in the longitudinal direction X. As shown in FIG.

絶縁体3のヒータ絶縁体部32には、通電によって発熱する発熱体41が埋設されている。発熱体41は、発熱部411と、発熱部411に繋がる発熱体リード部412とによって形成されている。発熱部411は、検出電極22および基準電極23に積層方向Dにおいて対向する位置に配置されている。発熱体41には、発熱体41に通電を行うための通電制御部52が接続される。通電制御部52は、発熱体41に、PWM(パルス幅変調)制御等を行った電圧を印加するドライブ回路等を用いて形成されている。通電制御部52は、センサ制御ユニット5内に形成されている。 A heating element 41 that generates heat when energized is embedded in the heater insulator portion 32 of the insulator 3 . The heating element 41 is formed of a heating portion 411 and a heating element lead portion 412 connected to the heating portion 411 . The heat generating portion 411 is arranged at a position facing the detection electrode 22 and the reference electrode 23 in the stacking direction D. As shown in FIG. An energization control unit 52 for energizing the heating element 41 is connected to the heating element 41 . The energization control unit 52 is formed using a drive circuit or the like that applies a voltage subjected to PWM (Pulse Width Modulation) control or the like to the heating element 41 . The energization control section 52 is formed within the sensor control unit 5 .

発熱部411の断面積は、発熱体リード部412の断面積よりも小さく、発熱部411の単位長さ当たりの抵抗値は、発熱体リード部412の単位長さ当たりの抵抗値よりも高い。この断面積とは、発熱部411および発熱体リード部412が延びる方向に直交する面内の断面積のことをいう。そして、発熱体リード部412に電圧が印加されると、発熱部411がジュール熱によって発熱し、この発熱によって、検出電極22および基準電極23の周辺が加熱される。 The cross-sectional area of the heat generating portion 411 is smaller than the cross-sectional area of the heat generating lead portion 412 , and the resistance value per unit length of the heat generating portion 411 is higher than the resistance value per unit length of the heat generating lead portion 412 . This cross-sectional area means a cross-sectional area in a plane orthogonal to the direction in which the heat generating portion 411 and the heat generating lead portion 412 extend. Then, when a voltage is applied to the heating element lead portion 412 , the heating portion 411 generates heat due to Joule heat, and this heat generation heats the periphery of the detection electrode 22 and the reference electrode 23 .

混成電位は、検出電極内の反応点における特定ガス成分とその特定ガス成分の相手となるガスの電気化学的酸化還元反応の速度の偏りによって発現する。そのため、電極内の反応点に到達するまでの過程におけるガスの取り込みや、反応点での電気化学的酸化還元反応後の過程における生成ガスの排出が滞ると、混成電位が不安定化する。つまり、センサ出力が不安定化する。これに対し、本実施形態のガスセンサ素子2は、検出電極22が多数の気孔22cを有しており、検出電極22の表面における気孔22cの表面開口割合と検出電極22の厚みμmとの積が上記特定範囲にある。そのため、ガスセンサ素子2は、センサ出力を安定化させることができる。 A mixed potential is developed by a bias in the rate of electrochemical oxidation-reduction reaction between a specific gas component and its partner gas at a reaction point within the detection electrode. Therefore, if the intake of the gas before reaching the reaction point in the electrode and the discharge of the generated gas after the electrochemical oxidation-reduction reaction at the reaction point are delayed, the mixed potential will be destabilized. That is, the sensor output becomes unstable. In contrast, in the gas sensor element 2 of the present embodiment, the detection electrode 22 has a large number of pores 22c, and the product of the surface opening ratio of the pores 22c on the surface of the detection electrode 22 and the thickness μm of the detection electrode 22 is within the above specific range. Therefore, the gas sensor element 2 can stabilize the sensor output.

次に、本実施形態のガスセンサ1について説明する。図1、図2、図6に例示されるように、本実施形態のガスセンサ1は、混成電位式のものであり、本実施形態のガスセンサ素子2を有している。 Next, the gas sensor 1 of this embodiment will be described. As illustrated in FIGS. 1, 2, and 6, the gas sensor 1 of this embodiment is of a mixed potential type and has the gas sensor element 2 of this embodiment.

以下、本実施形態のガスセンサ1の詳細構成の一例について示すが、本実施形態のガスセンサ1は、以下の構成に限定されるものではない。 An example of the detailed configuration of the gas sensor 1 of this embodiment will be described below, but the gas sensor 1 of this embodiment is not limited to the following configuration.

図1、図2、図6に示されるガスセンサ1は、ガスセンサ素子2と、検出部51とをしている。検出部51は、検出電極22と基準電極23との間に生じる、特定ガス成分濃度および酸素濃度に基づく混成電位を検出するように構成される。 Gas sensor 1 shown in FIGS. The detection unit 51 is configured to detect a mixed potential generated between the detection electrode 22 and the reference electrode 23 based on the specific gas component concentration and the oxygen concentration.

ガスセンサ1は、図6に例示されるように、車両の内燃機関(エンジン)7の排気管71に配置されて使用される。ガスセンサ1による検出対象ガスGは、内燃機関7から排気管71へ排気された排ガスである。そして、ガスセンサ1は、排気管71内に配置された、NOxを還元する触媒72の排ガスの流れの下流側の位置に配置されており、触媒72から流出するアンモニアガスの濃度を検出する。 The gas sensor 1 is arranged and used in an exhaust pipe 71 of an internal combustion engine (engine) 7 of a vehicle, as illustrated in FIG. The gas G to be detected by the gas sensor 1 is exhaust gas discharged from the internal combustion engine 7 to the exhaust pipe 71 . The gas sensor 1 is arranged downstream of the NOx reducing catalyst 72 arranged in the exhaust pipe 71 in the exhaust gas flow, and detects the concentration of ammonia gas flowing out from the catalyst 72 .

ガスセンサ1は、特定ガス成分濃度としてのアンモニアガス濃度、および、酸素ガス濃度に基づく混成電位を検出し、この混成電位を酸素ガス濃度によって補正して、アンモニアガス濃度を検出するものである。検出部51においては、酸素の電気化学的還元反応による還元電流と、アンモニアの電気化学的酸化反応による酸化電流とが等しくなるときに生じる、検出電極22と基準電極23との間の電位差ΔVを混成電位として検出するよう構成されている。 The gas sensor 1 detects ammonia gas concentration as a specific gas component concentration and a mixed potential based on the oxygen gas concentration, corrects this mixed potential with the oxygen gas concentration, and detects the ammonia gas concentration. The detection unit 51 is configured to detect, as a mixed potential, the potential difference ΔV between the detection electrode 22 and the reference electrode 23 that occurs when the reduction current due to the electrochemical reduction reaction of oxygen and the oxidation current due to the electrochemical oxidation reaction of ammonia are equal.

検出部51は、車両のエンジン制御ユニット50に接続されるセンサ制御ユニット5内に形成されている。検出部51は、検出電極22と基準電極23との間に生じる電位差ΔVを検出する電位差検出回路511、電位差検出回路511による電位差ΔVを酸素濃度によって補正してアンモニア濃度を求める演算処理部512等を有する。演算処理部512は、酸素濃度をパラメータとして電位差ΔVとアンモニア濃度との関係が求められた関係マップを用い、関係マップに電位差ΔVと酸素濃度とを照合してアンモニア濃度を求めることができる。 The detector 51 is formed in the sensor control unit 5 connected to the engine control unit 50 of the vehicle. The detection unit 51 includes a potential difference detection circuit 511 that detects the potential difference ΔV generated between the detection electrode 22 and the reference electrode 23, an arithmetic processing unit 512 that corrects the potential difference ΔV detected by the potential difference detection circuit 511 with the oxygen concentration to determine the ammonia concentration, and the like. Arithmetic processing unit 512 can determine the ammonia concentration by comparing the potential difference ΔV and the oxygen concentration against the relationship map using the relationship map obtained by obtaining the relationship between the potential difference ΔV and the ammonia concentration using the oxygen concentration as a parameter.

検出電極22においては、検出電極22に接触する検出対象ガスGにアンモニアと酸素とが存在する場合に、アンモニアの電気化学的酸化反応と、酸素の電気化学的還元反応とが同時に進行する。アンモニアの電気化学的酸化反応は、代表的には、2NH+3O2-→N+3HO+6eによって表される。酸素の電気化学的還元反応は、代表的には、O+4e→2O2-によって表される。そして、検出電極22における、アンモニアと酸素とによる混成電位は、検出電極22における、アンモニアの電気化学的酸化反応(速度)と酸素の電気化学的還元反応(速度)とが等しくなるときの電位として生じる。 In the detection electrode 22, when ammonia and oxygen are present in the detection target gas G in contact with the detection electrode 22, an electrochemical oxidation reaction of ammonia and an electrochemical reduction reaction of oxygen proceed simultaneously. The electrochemical oxidation reaction of ammonia is typically represented by 2NH 3 +3O 2− →N 2 +3H 2 O+6e . The electrochemical reduction reaction of oxygen is typically represented by O 2 +4e →2O 2− . A mixed potential of ammonia and oxygen in the detection electrode 22 is generated as a potential when the electrochemical oxidation reaction (rate) of ammonia and the electrochemical reduction reaction (rate) of oxygen are equal to each other in the detection electrode 22.

なお、図示は省略するが、酸素ガス濃度は、ガスセンサ1とは別の酸素センサによって検出される。酸素センサは、排気管71における、触媒72の下流側の位置に配置されている。そして、検出部51においては、酸素センサによる酸素ガス濃度を利用して、混成電位を補正し、アンモニア濃度を求める。 Although illustration is omitted, the oxygen gas concentration is detected by an oxygen sensor different from the gas sensor 1 . The oxygen sensor is arranged downstream of the catalyst 72 in the exhaust pipe 71 . Then, in the detection unit 51, the oxygen gas concentration obtained by the oxygen sensor is used to correct the mixed potential and obtain the ammonia concentration.

図6に例示されるように、内燃機関7の排気管71には、NOxを還元するための触媒72と、触媒72へアンモニアを含む還元剤Kを供給する還元剤供給装置73とが配置されている。触媒72は、触媒担体に、NOxの還元剤Kとしてのアンモニアが付着されるものである。触媒72の触媒担体におけるアンモニアの付着量は、NOxの還元反応に伴って減少する。そして、触媒担体におけるアンモニアの付着量が少なくなったときには、還元剤供給装置73から触媒担体へ新たにアンモニアが補充される。還元剤供給装置73は、排気管71における、触媒72よりも排ガスの流れの上流側位置に配置されており、尿素水を噴射して発生するアンモニアガスを排気管71へ供給するものである。アンモニアガスは、尿素水が加水分解されて生成される。還元剤供給装置73には、尿素水のタンク731が接続されている。 As illustrated in FIG. 6 , an exhaust pipe 71 of the internal combustion engine 7 is provided with a catalyst 72 for reducing NOx and a reducing agent supply device 73 for supplying a reducing agent K containing ammonia to the catalyst 72 . The catalyst 72 has a catalyst carrier on which ammonia as a reducing agent K for NOx is adhered. The amount of ammonia deposited on the catalyst carrier of the catalyst 72 decreases with the reduction reaction of NOx. Then, when the amount of ammonia adhering to the catalyst carrier becomes small, ammonia is newly replenished from the reducing agent supply device 73 to the catalyst carrier. The reducing agent supply device 73 is arranged in the exhaust pipe 71 upstream of the catalyst 72 in the flow of the exhaust gas, and supplies the ammonia gas generated by injecting the urea water to the exhaust pipe 71 . Ammonia gas is produced by hydrolysis of urea water. A urea water tank 731 is connected to the reducing agent supply device 73 .

内燃機関7は、具体的には、軽油の自己着火を利用して燃焼運転を行うディーゼルエンジンとすることができる。また、触媒72は、NOx(窒素酸化物)をアンモニア(NH)と化学反応させて窒素(N)および水(HO)に還元する選択式還元触媒(SCR)である。なお、図示は省略するが、排気管71における、触媒72の上流側位置には、NOのNOへの変換(酸化)、CO、HC(炭化水素)等の低減を行う酸化触媒(DOC)、微粒子を捕集するフィルタ(DPF)等が配置されていてもよい。 Specifically, the internal combustion engine 7 can be a diesel engine that performs combustion operation using self-ignition of light oil. Also, the catalyst 72 is a selective reduction catalyst (SCR) that chemically reacts NOx (nitrogen oxide) with ammonia (NH 3 ) to reduce it to nitrogen (N 2 ) and water (H 2 O). Although not shown, an oxidation catalyst (DOC) that converts (oxidizes) NO to NO 2 and reduces CO, HC (hydrocarbons), etc., a filter (DPF) that collects fine particles, etc. may be arranged in the exhaust pipe 71 upstream of the catalyst 72.

本実施形態のガスセンサ素子2、ガスセンサ1は、ディーゼルエンジンの排ガスを浄化するシステムであるSCRシステムにおいて、尿素水の噴射量を精密に制御するなどのためにアンモニア濃度を検出するのに有用である。また、本実施形態のガスセンサ素子2、ガスセンサ1は、排ガス中の二酸化窒素濃度を検出するように構成されることもできる。SCRシステムにおいて、二酸化窒素濃度を検出することは、尿素水噴射量の制御や選択式還元触媒の故障検出などにおいて有効である。 The gas sensor element 2 and gas sensor 1 of the present embodiment are useful for detecting the concentration of ammonia in order to precisely control the injection amount of urea water in an SCR system, which is a system for purifying exhaust gas from diesel engines. The gas sensor element 2 and gas sensor 1 of this embodiment can also be configured to detect the concentration of nitrogen dioxide in the exhaust gas. In the SCR system, detecting the nitrogen dioxide concentration is effective in controlling the urea water injection amount, detecting failure of the selective reduction catalyst, and the like.

本実施形態のガスセンサ1は、本実施形態のガスセンサ素子2を有する。そのため、本実施形態のガスセンサ1によれば、センサ出力を安定化させることが可能な混成電位式のガスセンサ1が得られる。 The gas sensor 1 of this embodiment has the gas sensor element 2 of this embodiment. Therefore, according to the gas sensor 1 of the present embodiment, the mixed potential type gas sensor 1 capable of stabilizing the sensor output can be obtained.

(実施形態2)
実施形態2のガスセンサ素子およびガスセンサについて、図7を用いて説明する。なお、実施形態2以降において用いられる符号のうち、既出の実施形態において用いた符号と同一のものは、特に示さない限り、既出の実施形態におけるものと同様の構成要素等を表す。
(Embodiment 2)
A gas sensor element and a gas sensor according to Embodiment 2 will be described with reference to FIG. It should be noted that, of the reference numerals used in the second and subsequent embodiments, the same reference numerals as those used in the previously described embodiments represent the same components and the like as those in the previously described embodiments, unless otherwise specified.

本実施形態のガスセンサ素子2は、検出電極22の平均厚みをTave、最大厚みをTmax、最小厚みをTminとしたとき、
|(Tmax-Tave)/Tave|≦0.5、および、|(Tmin-Tave)/Tave|≦0.5を満たしている。なお、「||」は絶対値をとることを意味する。
In the gas sensor element 2 of the present embodiment, when the average thickness of the detection electrode 22 is T ave , the maximum thickness is T max , and the minimum thickness is T min ,
|(T max −T ave )/T ave |≦0.5 and |(T min −T ave )/T ave |≦0.5. Note that "||" means taking an absolute value.

検出電極22の平均厚みTave、検出電極22の最大厚みTmax、検出電極22の最小厚みTminを、まとめて検出電極22の厚みパラメータという。検出電極22の厚みパラメータは、次のように測定、定義されるものである。なお、検出電極22の平均厚みTaveは、実施形態1にて上述した積を求める際の検出電極22の厚みとは異なる概念によるものである。 The average thickness T ave of the sensing electrodes 22 , the maximum thickness T max of the sensing electrodes 22 , and the minimum thickness T min of the sensing electrodes 22 are collectively referred to as thickness parameters of the sensing electrodes 22 . A thickness parameter of the sensing electrode 22 is measured and defined as follows. Note that the average thickness T ave of the detection electrodes 22 is based on a concept different from the thickness of the detection electrodes 22 when obtaining the product described above in the first embodiment.

検出電極22の厚みパラメータは、レーザー変位計にて取得される。具体的には、以下の通りである。レーザー変位計による検出電極22の厚み計測位置は、検出電極22の電極面積を二等分する直線のうち、後述する検出電極形成部22Lの長さLが最長となる位置とする。図7に示されるように、レーザー変位計にて、検出電極22の外から計測をスタートし、スタートした位置P0の厚みを0μmとする。レーザー変位計が最初に1μmの厚みを検出した位置P1からさらに200μm進んだ位置を位置P2とする。そして、レーザー変位計が次に1μmの厚みを検出した位置をP1’とする。位置P1’の手前200μmの位置をP2’とする。位置P2から位置P2’までを検出電極形成部22Lとし、位置P2から位置P2’までの長さを検出電極形成部22Lの長さLと定義する。検出電極形成部22Lにおいてレーザー変位計にて取得される厚みの平均値が、検出電極22の平均厚みTaveとされる。検出電極形成部22Lにおいてレーザー変位計にて取得される厚みの最大値が、検出電極22の最大厚みTmaxとされる。検出電極形成部22Lにおいてレーザー変位計にて取得される厚みの最小値が、検出電極22の最小厚みTminとされる。なお、上記のように検出電極形成部22Lを定義するのは、通常、検出電極22の端部は厚みバラツキが大きいため、その影響を除くためである。 A thickness parameter of the detection electrode 22 is acquired by a laser displacement meter. Specifically, it is as follows. The position where the thickness of the detection electrode 22 is measured by the laser displacement meter is the position where the length L of the detection electrode forming portion 22L, which will be described later, is the longest among straight lines that bisect the electrode area of the detection electrode 22 . As shown in FIG. 7, the measurement is started from the outside of the detection electrode 22 with the laser displacement meter, and the thickness at the starting position P0 is set to 0 μm. A position P2 is a position further advanced by 200 μm from the position P1 where the laser displacement meter first detects a thickness of 1 μm. Then, the position where the laser displacement meter next detects the thickness of 1 μm is defined as P1′. A position 200 μm before the position P1′ is defined as P2′. A sensing electrode forming portion 22L is defined from the position P2 to the position P2', and the length from the position P2 to the position P2' is defined as the length L of the sensing electrode forming portion 22L. The average value of the thickness obtained by the laser displacement meter in the detection electrode forming portion 22L is taken as the average thickness T ave of the detection electrode 22 . The maximum thickness Tmax of the detection electrode 22 is the maximum thickness obtained by the laser displacement meter in the detection electrode forming portion 22L. The minimum value of the thickness obtained by the laser displacement meter in the detection electrode forming portion 22L is taken as the minimum thickness T min of the detection electrode 22 . The reason why the detection electrode forming portion 22L is defined as described above is to eliminate the influence of the large variation in thickness of the end portion of the detection electrode 22, which normally occurs.

上記のようにして定義される検出電極22の厚みパラメータは、検出電極22内の厚みバラツキの指標としての意義がある。検出電極22の厚みパラメータの値が小さいほど、検出電極22内の厚みバラツキが小さいことを意味する。検出電極22内の厚みバラツキが小さいと、検出電極22表面にある気孔22cの表面開口221cから検出対象ガスGが入り、特定ガス成分が電気化学的酸化還元反応を起こし、混成電位の発現が安定して行われる。一方、検出電極22内の厚みバラツキが大きくなると、検出電極22内での電気化学的酸化還元反応に偏りが生じて安定した混成電位が発現され難くなる。 The thickness parameter of the detection electrode 22 defined as described above is significant as an index of thickness variation in the detection electrode 22 . It means that the smaller the value of the thickness parameter of the detection electrode 22 is, the smaller the thickness variation in the detection electrode 22 is. When the thickness variation in the detection electrode 22 is small, the gas G to be detected enters through the surface openings 221c of the pores 22c on the surface of the detection electrode 22, the specific gas component undergoes an electrochemical oxidation-reduction reaction, and the mixed potential is stably developed. On the other hand, if the thickness variation in the detection electrode 22 becomes large, the electrochemical oxidation-reduction reaction in the detection electrode 22 becomes biased, making it difficult to develop a stable mixed potential.

ガスセンサ素子2が|(Tmax-Tave)/Tave|≦0.5、および、|(Tmin-Tave)/Tave|≦0.5を満たしている場合には、センサ出力を安定化させやすい。これは、厚みバラツキが小さい検出電極22を用いることにより、検出電極22へのガスの取り込み、検出電極22からの生成ガスの排出が促進され、混成電位発現の前提条件となる電気化学的酸化還元反応の速度の偏り(非平衡状態)がより持続されやすくなるためである。 When the gas sensor element 2 satisfies |(T max −T ave )/T ave |≦0.5 and |(T min −T ave )/T ave |≦0.5, the sensor output is easily stabilized. This is because the use of the detection electrode 22 with small thickness variation promotes the intake of gas into the detection electrode 22 and the discharge of the generated gas from the detection electrode 22, and the imbalance in the rate of the electrochemical oxidation-reduction reaction (non-equilibrium state), which is a prerequisite for the expression of the mixed potential, is more likely to be maintained.

その他の構成および作用効果は、実施形態1のガスセンサ素子2と同様である。 Other configurations and effects are the same as those of the gas sensor element 2 of the first embodiment.

本実施形態のガスセンサ1は、本実施形態のガスセンサ素子2を有している。本実施形態のガスセンサ1は、本実施形態のガスセンサ素子2を有しているので、上記理由により、センサ出力を安定化させやすい。その他の構成および作用効果は、実施形態1のガスセンサ1と同様である。 The gas sensor 1 of this embodiment has the gas sensor element 2 of this embodiment. Since the gas sensor 1 of this embodiment has the gas sensor element 2 of this embodiment, it is easy to stabilize the sensor output for the above reasons. Other configurations and effects are the same as those of the gas sensor 1 of the first embodiment.

(実験例1)
-ガスセンサ素子、ガスセンサの作製-
Al粉末と、バインダーと、可塑剤とを混錬して絶縁体形成用スラリーを調製した。絶縁体形成用スラリーをシート成型機に入れ、乾燥し、絶縁体形成用シートを3枚作製した。Pt粉末と、共材としてのAl粉末と、バインダーとを混錬して発熱体形成用ペーストを調製した。1枚の絶縁体形成用シートの一方面に、発熱体形成用ペーストにて発熱体を形成するための発熱体形成部を印刷し、乾燥させた。別の1枚の絶縁体形成用シートの一部を打ち抜き、基準ガスダクトを形成するための基準ガスダクト形成部を形成した。基準ガスダクト形成部にはカーボンを充填した。
(Experimental example 1)
-Production of gas sensor elements and gas sensors-
An insulator-forming slurry was prepared by kneading Al 2 O 3 powder, a binder, and a plasticizer. The insulator-forming slurry was placed in a sheet molding machine and dried to produce three insulator-forming sheets. A heating element forming paste was prepared by kneading Pt powder, Al 2 O 3 powder as a common material, and a binder. A heating element forming part for forming a heating element was printed on one surface of one insulator forming sheet with a heating element forming paste and dried. A part of another insulator forming sheet was punched out to form a reference gas duct forming portion for forming a reference gas duct. The reference gas duct formation portion was filled with carbon.

また、Yを含むZrO粉末と、バインダーと、可塑剤とを混錬して固体電解質体形成用スラリーを調製した。固体電解質体形成用スラリーをシート成型機に入れ、乾燥し、固体電解質体形成用シートを作製した。Pt粉末と、共材としての上記ZrO粉末と、バインダーとを混錬して基準電極形成用ペーストを調製した。固体電解質体形成用シートの一方面に、基準電極形成用ペーストにて基準電極およびリード部を形成するための基準電極・リード形成部を印刷し、乾燥させた。 Also, a ZrO 2 powder containing Y 2 O 3 , a binder, and a plasticizer were kneaded to prepare a slurry for forming a solid electrolyte. The slurry for forming a solid electrolyte body was placed in a sheet molding machine and dried to prepare a sheet for forming a solid electrolyte body. The Pt powder, the ZrO 2 powder as a common material, and a binder were kneaded to prepare a paste for forming a reference electrode. A reference electrode/lead forming portion for forming a reference electrode and a lead portion was printed on one side of the solid electrolyte forming sheet with a reference electrode forming paste and dried.

次いで、発熱体形成部が印刷された絶縁体形成用シート、絶縁体形成用シート、基準ガスダクト形成部にカーボンが充填された絶縁体形成用シート、および、基準電極・リード形成部が印刷された固体電解質体形成用シートをこの順に積層し、加圧後、素子形状に切断した。そして、この積層体を1400℃にて焼成し、焼結体とした。 Next, an insulator-forming sheet on which a heating element-forming portion was printed, an insulator-forming sheet, a reference gas duct-forming portion filled with carbon, and a solid electrolyte-forming sheet on which a reference electrode/lead forming portion were printed were laminated in this order, pressed, and then cut into an element shape. Then, this laminate was fired at 1400° C. to obtain a sintered body.

次いで、Au粉末と、共材としての上記ZrO粉末と、バインダーとを混錬して検出電極形成用ペーストAを調製した。また、Au粉末と、共材として上記ZrO粉末と、バインダーと、ZrO(NO・2HO(硝酸ジルコニル二水和物)水溶液とを混錬して検出電極形成用ペーストBを調製した。なお、ZrO(NO・2HOの添加量は、Au粉末に対して0.05wt%とした。 Next, the Au powder, the ZrO 2 powder as a common material, and a binder were kneaded to prepare a paste A for forming a detection electrode. Further, the Au powder, the ZrO 2 powder as a common material, a binder, and an aqueous solution of ZrO(NO 3 ) 2.2H 2 O (zirconyl nitrate dihydrate) were kneaded to prepare a paste B for forming a detection electrode. The amount of ZrO(NO 3 ) 2 ·2H 2 O added was 0.05 wt % with respect to the Au powder.

次いで、素子状に形成された焼結体における固体電解質体の所定箇所に、検出電極形成用ペーストAにて、検出電極の一部を形成するための検出電極形成部(一部)と、リード部を形成するためのリード形成部とを印刷し、乾燥させた。その後、検出電極形成部(一部)上に、検出電極形成用ペーストBにて、検出電極の残部を形成するための検出電極形成部(残部)を印刷し、乾燥させた。つまり、検出電極の全体を形成するための検出電極形成部(全体)は、検出電極形成用ペーストAにて形成された検出電極形成部(一部)と、検出電極形成部(一部)の表面に積層された、検出電極形成用ペーストBにて形成された検出電極形成部(残部)との二層構造となっている。 Next, a sensing electrode forming portion (part) for forming a portion of the sensing electrode and a lead portion for forming a lead portion were printed and dried using the sensing electrode forming paste A at predetermined locations of the solid electrolyte body in the sintered body formed in the form of an element. After that, the detecting electrode forming portion (remaining portion) for forming the remaining portion of the detecting electrode was printed on the detecting electrode forming portion (part) with the detecting electrode forming paste B, and dried. That is, the sensing electrode forming portion (entire) for forming the entire sensing electrode has a two-layer structure of the sensing electrode forming portion (part) formed by the sensing electrode forming paste A and the sensing electrode forming portion (remainder) formed by the sensing electrode forming paste B, which is laminated on the surface of the sensing electrode forming portion (part).

次いで、検出電極形成部(全体)が印刷された焼結体を、800℃にて焼成し、ガスセンサ素子を得た。得られたガスセンサ素子の検出電極は、多数の気孔を有しており、検出電極の表面には、図4に例示されるような、気孔による表面開口が多数確認された。このような気孔の表面開口が形成された理由は、以下の通りであると考えられる。上述した検出電極形成部(残部)には、800℃~900℃程度の焼成温度では焼結しないZrが微細かつ高分散されている。本実験例では、検出電極形成用ペーストBの調製時に水溶液で硝酸ジルコニルを添加したことにより、粉末で添加するよりも原子レベルでZrを高分散させることができる。その結果、検出電極形成部(残部)の焼成時に、高分散されたZrが加熱によってAuが凝集しようとして移動するのを阻害し、Auの粒成長が抑制され、検出電極の表面に気孔による表面開口が形成されたものと考えられる。 Next, the sintered body on which the detection electrode forming portion (whole) was printed was fired at 800° C. to obtain a gas sensor element. The detection electrode of the obtained gas sensor element had a large number of pores, and a large number of surface openings due to the pores were confirmed on the surface of the detection electrode, as exemplified in FIG. The reason why such surface openings of pores are formed is considered as follows. In the detection electrode forming portion (remaining portion) described above, Zr, which is not sintered at a firing temperature of about 800° C. to 900° C., is finely and highly dispersed. In this experimental example, by adding zirconyl nitrate in an aqueous solution during the preparation of the detection electrode forming paste B, Zr can be highly dispersed at the atomic level compared to adding powder. As a result, during firing of the detection electrode forming portion (remaining portion), the highly dispersed Zr inhibits the movement of the Au to agglomerate due to heating, suppresses the grain growth of the Au, and is thought to form surface openings due to pores on the surface of the detection electrode.

-検出電極の表面における気孔の表面開口割合と検出電極の厚みとの積の測定-
作製したガスセンサ素子について、上述した測定方法に従って、検出電極の表面についてSEMによる反射電子像を取得し、取得した反射電子像に対して画像解析ソフトによる二値化処理を施し、検出電極の表面おける気孔の表面開口を抽出し、表面開口割合を定量した。また、上述した測定方法に従って、上記積を求める際の検出電極の厚みを測定した。この際、SEMには、FEI社製のFEG-Quanta250を用いた。また、検出電極表面のSEM撮像時における明るさは77.8、コントラストは82.7に設定した。また、二値化処理の画像解析ソフトには、三谷商事社製のWinROOF Ver.7.4を用いた。
- Measurement of the product of the surface opening ratio of pores on the surface of the detection electrode and the thickness of the detection electrode -
For the produced gas sensor element, a backscattered electron image of the surface of the detection electrode was obtained by SEM according to the above-described measurement method, the obtained backscattered electron image was subjected to binarization processing using image analysis software, the surface openings of the pores on the surface of the detection electrode were extracted, and the surface opening ratio was quantified. In addition, the thickness of the detection electrode was measured when obtaining the above product according to the above-described measurement method. At this time, FEG-Quanta250 manufactured by FEI was used as the SEM. In addition, the brightness was set to 77.8 and the contrast was set to 82.7 during SEM imaging of the detection electrode surface. Also, WinROOF Ver. 7.4 was used.

上記作製したガスセンサ素子の検出電極は、検出電極の表面における気孔の表面開口割合と検出電極の厚みとの積が、1.98μmであった。 In the detection electrode of the gas sensor element produced above, the product of the surface opening ratio of the pores on the surface of the detection electrode and the thickness of the detection electrode was 1.98 μm.

上述したガスセンサ素子において、硝酸ジルコニル二水和物水溶液の添加量と検出電極の厚みを変化させることにより、検出電極の表面における気孔の表面開口割合と検出電極の厚みとの積の値が異なる複数のガスセンサ素子を作製した。但し、検出電極の焼成温度は、800℃で一定とした。なお、硝酸ジルコニル二水和物の添加量を増量すると気孔の表面開口割合が大きくなり、硝酸ジルコニル二水和物の添加量を減量すると気孔の表面開口割合が小さくなる。 In the gas sensor element described above, a plurality of gas sensor elements having different values of the product of the surface opening ratio of the pores on the surface of the detection electrode and the thickness of the detection electrode were produced by changing the addition amount of the zirconyl nitrate dihydrate aqueous solution and the thickness of the detection electrode. However, the sintering temperature of the detection electrodes was kept constant at 800°C. When the amount of zirconyl nitrate dihydrate added is increased, the surface open ratio of pores is increased, and when the amount of zirconyl nitrate dihydrate added is decreased, the surface open ratio of pores is decreased.

また、各ガスセンサ素子を組み込んだ各ガスセンサを作製した。 Further, each gas sensor incorporating each gas sensor element was produced.

-アンモニア出力、二酸化窒素出力の測定-
検出電極の表面における気孔の表面開口割合と検出電極の厚みとの積の値が異なるガスセンサ素子を組み込んだ複数のガスセンサについて、アンモニア出力および二酸化窒素出力を測定した。この際、アンモニア出力の測定条件は、検出電極の温度:400℃、450℃、または、500℃、供給ガス濃度:10vol%O+100ppm(体積比)NHとした。また、二酸化窒素出力の測定条件は、検出電極の温度:400℃、450℃、または、500℃、供給ガス濃度:10vol%O+100ppm(体積比)NOとした。アンモニア出力の測定結果を、図8~図10に示す。また、二酸化窒素出力の測定結果を、図11~図13に示す。
-Measurement of ammonia output and nitrogen dioxide output-
Ammonia output and nitrogen dioxide output were measured for a plurality of gas sensors incorporating gas sensor elements having different values of the product of the surface opening ratio of pores on the surface of the detection electrode and the thickness of the detection electrode. At this time, the ammonia output was measured under the following conditions: detection electrode temperature: 400° C., 450° C. or 500° C.; supply gas concentration: 10 vol % O 2 +100 ppm (volume ratio) NH 3 . In addition, the nitrogen dioxide output was measured under the following conditions: detection electrode temperature: 400° C., 450° C., or 500° C.; supply gas concentration: 10 vol % O 2 +100 ppm (volume ratio) NO 2 . The measurement results of the ammonia output are shown in FIGS. 8 to 10. FIG. 11 to 13 show the measurement results of the nitrogen dioxide output.

先ず、図8~図10について説明する。混成電位式のガスセンサにおけるアンモニア出力の発現機構は次の通りである。アンモニアの混成電位は、アンモニアと酸素の電気化学的酸化還元反応によって発現する。
2NH+3O2-→N+3HO+6e・・・(1)
+4e→2O2-・・・(2)
上記(1)式のNHの電気化学的酸化反応がより促進されると、混成電位の出力は大きくなり、上記(2)式のOの電気化学的還元反応がより促進されると、混成電位の出力は小さくなる。ところで、NHは、非常に反応性が高い物質であるため、検出電極上にて以下の反応式により容易に気相酸化して消失する。
4NH+3O→2N+6HO・・・(3)
4NH+5O→4NO+6HO・・・(4)
そのため、上記(3)式および上記(4)式の気相酸化反応を抑制しつつ、上記(1)式および上記(2)式の電気化学的反応を促進させることがセンサ出力向上のため重要となる。但し、上記(2)式の促進は、原理上、混成電位の出力低下を招くため、上記(1)式の反応を促進させることが重要である。
First, FIGS. 8 to 10 will be described. The mechanism of ammonia output in the mixed potential type gas sensor is as follows. The mixed potential of ammonia is developed by an electrochemical oxidation-reduction reaction between ammonia and oxygen.
2NH 3 +3O 2− →N 2 +3H 2 O+ 6e (1)
O 2 +4e →2O 2− (2)
The more accelerated the electrochemical oxidation reaction of NH3 in equation (1) above, the higher the output of the mixed potential, and the more accelerated the electrochemical reduction reaction of O2 in equation ( 2 ) above, the lower the output of the mixed potential. By the way, NH3 is a highly reactive substance, so it is easily oxidized in the vapor phase and disappears on the detection electrode according to the following reaction formula.
4NH 3 +3O 2 →2N 2 +6H 2 O (3)
4NH 3 +5O 2 →4NO+6H 2 O (4)
Therefore, it is important for improving the sensor output to promote the electrochemical reactions of the above equations (1) and (2) while suppressing the vapor phase oxidation reactions of the above equations (3) and (4). In principle, however, the promotion of the above formula (2) leads to a decrease in the output of the mixed potential, so it is important to promote the reaction of the above formula (1).

図8~図10に示されるように、表面開口割合×検出電極厚みが0.3μm未満になると、検出電極へのガスの取り込み、検出電極からのガスの排出がされ難くなり、アンモニア出力が安定しない。一方、表面開口割合×検出電極厚みが0.3μm以上になると、検出電極へのガスの取り込み、検出電極からのガスの排出は、活発化する。しかしながら、表面開口割合×検出電極厚みが4μmを超えると、アンモニア出力が低下する傾向が見られる。これは、アンモニア出力向上に寄与するアンモニアの電気化学的酸化反応(上記(1)式)よりも、アンモニア出力低下の要因となる、酸素の電気化学的還元反応(上記(2)式)が活性化されるためである。これに対し、表面開口割合×検出電極厚みが0.3μm以上4μ以下の範囲では、アンモニア出力が高く維持されており、アンモニア出力が安定化されている。これは、検出電極表面に気孔閉塞によるガス拡散律速となる部分がなくなることにより、ガス流速低下(ガス滞留)によって引き起こされるNHの気相酸化(上記(3)式、上記(4)式)が起き難くなり、アンモニアの電気化学的酸化反応(上記(1)式)が促進されたためである。 As shown in FIGS. 8 to 10, when the surface opening ratio×detection electrode thickness is less than 0.3 μm, it becomes difficult for gas to be taken into and discharged from the detection electrode, and ammonia output is unstable. On the other hand, when the surface opening ratio×detection electrode thickness is 0.3 μm or more, the intake of gas into the detection electrode and the discharge of gas from the detection electrode become active. However, when the surface opening ratio×detection electrode thickness exceeds 4 μm, the ammonia output tends to decrease. This is because the electrochemical reduction reaction of oxygen (equation (2) above), which causes a decrease in ammonia output, is activated rather than the electrochemical oxidation reaction of ammonia (equation (1) above), which contributes to the increase in ammonia output. On the other hand, when the surface opening ratio×detection electrode thickness is in the range of 0.3 μm or more and 4 μm or less, the ammonia output is maintained high and stabilized. This is because gas-phase oxidation of NH3 (equation (3) and equation (4) above) caused by a decrease in gas flow velocity (gas retention) is less likely to occur, and the electrochemical oxidation reaction of ammonia (equation (1) above) is promoted.

次に、図11~図13について説明する。混成電位式のガスセンサにおける二酸化窒素出力の発現機構は次の通りである。二酸化窒素の混成電位は、二酸化窒素と酸素イオンの電気化学的酸化還元反応によって発現する。
NO+2e→NO+O2-・・・(5)
2O2-→O+4e・・・(6)
上記(5)式のNOの電気化学的還元反応がより促進されると、混成電位の出力は大きくなり、上記(6)式のO2-の電気化学的酸化反応がより促進されると、混成電位の出力は小さくなる。
Next, FIGS. 11 to 13 will be described. The mechanism of nitrogen dioxide output in the mixed potential type gas sensor is as follows. The mixed potential of nitrogen dioxide is developed by an electrochemical oxidation-reduction reaction between nitrogen dioxide and oxygen ions.
NO 2 +2e → NO + O 2− (5)
2O 2− →O 2 +4e (6)
When the electrochemical reduction reaction of NO 2 in the above equation (5) is further promoted, the mixed potential output increases, and when the electrochemical oxidation reaction of O 2− in the above equation (6) is further promoted, the mixed potential output decreases.

図11~図13に示されるように、表面開口割合×検出電極厚みが0.3μm未満になると、検出電極へのガスの取り込み、検出電極からのガスの排出がされ難くなり、二酸化窒素出力が安定しない。一方、表面開口割合×検出電極厚みが0.3μm以上になると、検出電極へのガスの取り込み、検出電極からのガスの排出は、活性化する。しかしながら、表面開口割合×検出電極厚みが4μmを超えると、二酸化窒素出力が低下する傾向が見られる。これは、二酸化窒素出力向上に寄与する二酸化窒素の電気化学的還元反応(上記(5)式)よりも、二酸化窒素出力低下の要因となる、酸素イオンの電気化学的酸化反応(上記(6)式)が活性化されるためである。これに対し、表面開口割合×検出電極厚みが0.3μm以上4μ以下の範囲では、二酸化窒素出力が高く維持されており、二酸化窒素出力が安定化されている。これは、検出電極表面に気孔閉塞によるガス拡散律速となる部分がなくなることにより、ガス流速低下(ガス滞留)によって引き起こされるNOの分解(下記(7)式)が起き難くなり、二酸化窒素の電気化学的還元反応(上記(5)式)が促進されたためである。
2NO→2NO+O・・・(7)
As shown in FIGS. 11 to 13, when the surface opening ratio×detection electrode thickness is less than 0.3 μm, it becomes difficult for gas to enter and exit the detection electrode, resulting in unstable nitrogen dioxide output. On the other hand, when the surface opening ratio×detection electrode thickness becomes 0.3 μm or more, gas intake into the detection electrode and gas discharge from the detection electrode are activated. However, when the surface opening ratio×detection electrode thickness exceeds 4 μm, the nitrogen dioxide output tends to decrease. This is because the electrochemical oxidation reaction of oxygen ions (equation (6) above), which causes a decrease in nitrogen dioxide output, is activated rather than the electrochemical reduction reaction of nitrogen dioxide (equation (5) above), which contributes to an increase in nitrogen dioxide output. On the other hand, the nitrogen dioxide output is maintained at a high level and stabilized when the surface opening ratio×detection electrode thickness is in the range of 0.3 μm or more and 4 μm or less. This is because the removal of gas diffusion rate-limiting portions due to pore clogging on the surface of the detection electrode makes it difficult for the decomposition of NO 2 (formula (7) below) caused by a decrease in gas flow rate (gas retention) to occur, thereby promoting the electrochemical reduction reaction of nitrogen dioxide (formula (5) above).
2NO 2 →2NO+O 2 (7)

これらの結果によれば、検出電極の表面における気孔の表面開口割合と検出電極の厚みとの積を0.3μm以上4μ以下とすることにより、センサ出力を安定化させることが可能な混成電位式のガスセンサ素子、ガスセンサが得られることが確認された。 According to these results, it was confirmed that a mixed potential type gas sensor element and gas sensor capable of stabilizing the sensor output can be obtained by setting the product of the surface opening ratio of the pores on the surface of the detection electrode and the thickness of the detection electrode to 0.3 μm or more and 4 μm or less.

(実験例2)
実験例1と同様にして、検出電極の表面における気孔の表面開口割合と検出電極の厚みとの積が0.3μm以上4μ以下である複数のガスセンサ素子を作製した。
(Experimental example 2)
In the same manner as in Experimental Example 1, a plurality of gas sensor elements were produced in which the product of the surface opening ratio of the pores on the surface of the detection electrode and the thickness of the detection electrode was 0.3 μm or more and 4 μm or less.

-検出電極の厚みパラメータの測定-
作製したガスセンサ素子について、上述した測定方法に従って、検出電極の厚みパラメータを測定した。検出電極の厚みパラメータ測定時のレーザー変位計には、キーエンス社製のLT-9010Mを用いた。なお、本実験例では、検出電極の幅方向の中心を通る長手方向に沿った直線上における検出電極の厚みをレーザー変位計にて計測した。
-Measurement of the thickness parameter of the detection electrode-
The thickness parameter of the sensing electrode of the manufactured gas sensor element was measured according to the measurement method described above. LT-9010M manufactured by Keyence Corporation was used as a laser displacement meter when measuring the thickness parameter of the detection electrode. In this experimental example, the thickness of the detection electrode on a straight line along the longitudinal direction passing through the center of the detection electrode in the width direction was measured with a laser displacement meter.

各ガスセンサ素子を組み込んだ各ガスセンサを作製し、実験例1と同様にして、アンモニア出力を測定した。アンモニア出力の測定条件は、検出電極の温度:450℃、供給ガス濃度:10vol%O+100ppm(体積比)NHとした。その結果を、図14、図15に示す。なお、図14、図15に示した検出電極厚みは、レーザー変位計にて測定した検出電極の平均厚みTaveを意味する。 Each gas sensor incorporating each gas sensor element was produced, and the ammonia output was measured in the same manner as in Experimental Example 1. The ammonia output was measured under the following conditions: detection electrode temperature: 450°C; supply gas concentration: 10 vol% O 2 +100 ppm (volume ratio) NH 3 . The results are shown in FIGS. 14 and 15. FIG. The detection electrode thicknesses shown in FIGS. 14 and 15 mean the average thickness T ave of the detection electrodes measured with a laser displacement meter.

図14および図15によれば、|(Tmax-Tave)/Tave|≦0.5、および、|(Tmin-Tave)/Tave|≦0.5を満たしている場合には、アンモニア出力を安定化させやすいことがわかる。これは、厚みバラツキが小さい検出電極22を用いることにより、検出電極22へのガスの取り込み、検出電極22からのガスの排出が促進され、混成電位発現の前提条件となる電気化学的酸化還元反応の速度の偏り(非平衡状態)がより持続されやすくなったためである。 According to FIGS. 14 and 15, when |(T max −T ave )/T ave |≦0.5 and |(T min −T ave )/T ave |≦0.5 are satisfied, the ammonia output is easily stabilized. This is because the use of the detection electrode 22 with a small thickness variation promotes gas uptake into the detection electrode 22 and gas discharge from the detection electrode 22, thereby making it easier to maintain the imbalance (non-equilibrium state) in the electrochemical oxidation-reduction reaction rate, which is a prerequisite for the expression of the mixed potential.

本発明は、上記各実施形態、各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、各実施形態、各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。 The present invention is not limited to the above-described embodiments and experimental examples, and various modifications can be made without departing from the scope of the invention. Moreover, each configuration shown in each embodiment and each experimental example can be combined arbitrarily.

1 ガスセンサ
2 ガスセンサ素子
21 固体電解質体
201 第1表面
202 第2表面
22 検出電極
22c 気孔
23 基準電極
G 検出対象ガス
1 gas sensor 2 gas sensor element 21 solid electrolyte body 201 first surface 202 second surface 22 detection electrode 22c pores 23 reference electrode G gas to be detected

Claims (6)

混成電位を利用するガスセンサ(1)に用いられるガスセンサ素子(2)であって、
イオン伝導性を有する固体電解質体(21)と、上記固体電解質体の第1表面(201)に形成され、検出対象ガス(G)に晒される検出電極(22)と、上記固体電解質体の第2表面(202)における上記検出電極に対向する位置に形成された基準電極(23)と、を有しており、
上記検出電極は、多数の気孔(22c)を有しており、
上記検出電極の表面における上記気孔の表面開口割合と上記検出電極の厚みμmとの積が、0.3μm以上4μm以下である、ガスセンサ素子(2)。
A gas sensor element (2) for use in a gas sensor (1) that utilizes a mixed potential,
a solid electrolyte body (21) having ionic conductivity; a detection electrode (22) formed on a first surface (201) of the solid electrolyte body and exposed to a detection target gas (G); and a reference electrode (23) formed at a position facing the detection electrode on the second surface (202) of the solid electrolyte body,
The detection electrode has a large number of pores (22c),
The gas sensor element (2), wherein the product of the surface opening ratio of the pores on the surface of the detection electrode and the thickness [mu]m of the detection electrode is 0.3 [mu]m or more and 4 [mu]m or less.
上記気孔の表面開口割合が、0.05以上0.35以下である、請求項1に記載のガスセンサ素子。 2. The gas sensor element according to claim 1, wherein the surface opening ratio of said pores is 0.05 or more and 0.35 or less. 上記検出電極の平均厚みをTave、最大厚みをTmax、最小厚みをTminとしたとき、
|(Tmax-Tave)/Tave|≦0.5、および、|(Tmin-Tave)/Tave|≦0.5を満たす、請求項1または請求項2に記載のガスセンサ素子。
When the average thickness of the detection electrode is T ave , the maximum thickness is T max , and the minimum thickness is T min ,
3. The gas sensor element according to claim 1, wherein |(T max −T ave )/T ave |≦0.5 and |(T min −T ave )/T ave |≦0.5 are satisfied.
上記検出電極は、貴金属(22a)を含んでおり、上記貴金属は金を主成分とする、請求項1から請求項3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 detection electrode contains a noble metal (22a), and the noble metal is mainly composed of gold. アンモニアガスおよび二酸化窒素ガスのうち少なくとも一方を検出する、請求項1から請求項4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 4, which detects at least one of ammonia gas and nitrogen dioxide gas. 混成電位を利用するガスセンサ(1)であって、
請求項1から請求項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)。
A gas sensor (1) utilizing a mixed potential,
A gas sensor (1) comprising a gas sensor element according to any one of claims 1 to 5.
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