JPH03248053A - 酸素センサー - Google Patents
酸素センサーInfo
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- JPH03248053A JPH03248053A JP4460890A JP4460890A JPH03248053A JP H03248053 A JPH03248053 A JP H03248053A JP 4460890 A JP4460890 A JP 4460890A JP 4460890 A JP4460890 A JP 4460890A JP H03248053 A JPH03248053 A JP H03248053A
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- electrode
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- alumina
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Links
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Landscapes
- Investigating Or Analyzing Materials By The Use Of Fluid Adsorption Or Reactions (AREA)
Abstract
(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。
め要約のデータは記録されません。
Description
【発明の詳細な説明】
〔産業上の利用分野〕
本発明は酸素ガスセンサーに係る。
従来、第９図に示す如く、ヒータ２を内蔵したアルミナ
基板１上に２本の白金電極３を印刷し、その上部に酸素
濃度により抵抗値が変化するタイプの感ガス層（例えば
チタニア）４を塗布、焼成してなる酸素センサーを、第
１０図に示すような回路すなわち、感ガス層抵抗１２と
基準抵抗（たとえば５０にΩ）１３を直列に接続し、Ｄ
Ｃ電源（例えばＩＶＨＩからの電圧が基準抵抗１３に加
わる分圧を電圧計１４で測定して感ガス層の抵抗変化を
検知する方法により自動車の排ガス中の酸素濃度を検出
するシステムがある。
基板１上に２本の白金電極３を印刷し、その上部に酸素
濃度により抵抗値が変化するタイプの感ガス層（例えば
チタニア）４を塗布、焼成してなる酸素センサーを、第
１０図に示すような回路すなわち、感ガス層抵抗１２と
基準抵抗（たとえば５０にΩ）１３を直列に接続し、Ｄ
Ｃ電源（例えばＩＶＨＩからの電圧が基準抵抗１３に加
わる分圧を電圧計１４で測定して感ガス層の抵抗変化を
検知する方法により自動車の排ガス中の酸素濃度を検出
するシステムがある。
また、第９図の如き酸素センサーでは、温度サイクル等
により感ガス層４がアルミナ基板１から剥離が生じて、
この隙間に排気ガス中に含まれるカーボンが付着してカ
ーボンリークが発生して特性が不安定になるのを防止す
ることを目的として、電極をアルミナ基板から浮かせる
か、又は点接触にすることが提案されている（実開昭６
２−６２９５４号公報）。
により感ガス層４がアルミナ基板１から剥離が生じて、
この隙間に排気ガス中に含まれるカーボンが付着してカ
ーボンリークが発生して特性が不安定になるのを防止す
ることを目的として、電極をアルミナ基板から浮かせる
か、又は点接触にすることが提案されている（実開昭６
２−６２９５４号公報）。
第９図及び第１０図に示した従来のシステムにより酸素
濃度を検出する場合第１１図に示したようにリーン抵抗
（燃焼時に酸素過剰な状態のときの抵抗）とリッチ抵抗
（燃焼時に酸素が不足している時の抵抗）とは約３〜３
．５桁変化するが、抵抗値の温度依存性が大きい。一定
の基準抵抗を使用する場合、リッチ抵抗とリーン抵抗が
基準抵抗値をはさむ値でなければいけない（リッチ抵抗
とり−ン抵抗の両方が基準抵抗値より高い又は低いこと
はいけない）為に、必然的に作動温度範囲がかぎられて
くる。又、センサーの安定した出力を得ようとすると基
準抵抗に対して感ガス層抵抗が０．５桁以上は差がある
必要がある。この事よりセンサーの良好な作動温度範囲
（５５０〜８５０℃）の幅は約３００℃しかない。自動
車用の酸素センサーとして使用する場合、排気ガス温度
が４００〜９００℃まで変化する為に全温度域において
センサーを作動させる事はできない。したがって内蔵し
たヒータによりセンサーを温度コントロールしある一定
の温度範囲内に保つ必要がある。
濃度を検出する場合第１１図に示したようにリーン抵抗
（燃焼時に酸素過剰な状態のときの抵抗）とリッチ抵抗
（燃焼時に酸素が不足している時の抵抗）とは約３〜３
．５桁変化するが、抵抗値の温度依存性が大きい。一定
の基準抵抗を使用する場合、リッチ抵抗とリーン抵抗が
基準抵抗値をはさむ値でなければいけない（リッチ抵抗
とり−ン抵抗の両方が基準抵抗値より高い又は低いこと
はいけない）為に、必然的に作動温度範囲がかぎられて
くる。又、センサーの安定した出力を得ようとすると基
準抵抗に対して感ガス層抵抗が０．５桁以上は差がある
必要がある。この事よりセンサーの良好な作動温度範囲
（５５０〜８５０℃）の幅は約３００℃しかない。自動
車用の酸素センサーとして使用する場合、排気ガス温度
が４００〜９００℃まで変化する為に全温度域において
センサーを作動させる事はできない。したがって内蔵し
たヒータによりセンサーを温度コントロールしある一定
の温度範囲内に保つ必要がある。
本発明はリッチとリーンの抵抗変化幅を広げる事により
作動温度範囲を広げ、センサー出力の温度依存性を少な
くしようとするものである。
作動温度範囲を広げ、センサー出力の温度依存性を少な
くしようとするものである。
本発明は、上記目的を達成するために、セラミックス基
板上に酸化物半導体からなる感ガス層を有し、該感ガス
層中に２本の電極を上記セラミックス基板より１００声
以上離隔して埋設したことを特徴とする酸素センサーを
提供する。
板上に酸化物半導体からなる感ガス層を有し、該感ガス
層中に２本の電極を上記セラミックス基板より１００声
以上離隔して埋設したことを特徴とする酸素センサーを
提供する。
セラミックス基板はアルミナ基板が代表的であり、通常
ヒータを内蔵している。
ヒータを内蔵している。
感ガス層は酸化チタン、酸化スズ、酸化亜鉛、酸化鉄な
どの酸化物半導体からなる。
どの酸化物半導体からなる。
電極は白金などが用いられる。本発明ではこの電極を感
ガス層中に埋設してかつセラミックス基板から１００μ
以上離間させることを特徴とする。
ガス層中に埋設してかつセラミックス基板から１００μ
以上離間させることを特徴とする。
この電極とセラミックス基板との間隔が１１００Ｊ未満
ではセンサーの良好な作動温度範囲の幅が十分でないか
らである。 電極と基板の間隔を設定する好ましい方法
の１つは、窓を設けた所定の厚みのセラミックグリーン
シートを基板上に積層し、その上に２本の電極板をのせ
グリーンシートで電極板の端部を押させ、焼成一体化後
、電極上及び窓内に酸化物半導体ペーストを塗布し、こ
れを焼成して感ガス層を形成することである。この方法
によれば、電極と基板との間隔はグリーンシートの厚み
によって所望の間隔に制御でき、さらに電極は窓枠によ
って両持ちの形にできるので間隔は安定する。
ではセンサーの良好な作動温度範囲の幅が十分でないか
らである。 電極と基板の間隔を設定する好ましい方法
の１つは、窓を設けた所定の厚みのセラミックグリーン
シートを基板上に積層し、その上に２本の電極板をのせ
グリーンシートで電極板の端部を押させ、焼成一体化後
、電極上及び窓内に酸化物半導体ペーストを塗布し、こ
れを焼成して感ガス層を形成することである。この方法
によれば、電極と基板との間隔はグリーンシートの厚み
によって所望の間隔に制御でき、さらに電極は窓枠によ
って両持ちの形にできるので間隔は安定する。
実開昭６２−６２９５４号の出願明細書では、第１２図
の如く、アルミナ基板２１上に電極２２を印刷後、その
端部上に電極線２３の一端をのせ、その一端上をさらに
アルミナ基板２４でおさえて、電極線を印刷電極２２の
厚さだけアルミナ基板から浮かせて感ガス層２５を形成
している。しかしながら、この方法では電極線２３の浮
きは印刷電極２２の厚さであるため、５〜２０ｊＩＷｌ
にすぎない。実開昭６２−６２９５４号の発明の目的は
感ガス層２５が基板２１から剥離したときにその空隙に
たまるカーボンを介したリーク電流の防止にあるから、
電極２３が感ガス層２５中に埋設されていればよく、電
極線２３と基板２１との間隔をそれ以上大きくする動機
がない。実際、実開昭６２−６２９５４号は断面円形の
電線２３ならば基板２１に接するようにしてもよいとま
で記載している。本発明は、センサーの良好な動作温度
範囲を拡げるためには、電極を基板から１００陣以上離
す必要があるという知見にもとづくもので、実開昭６２
−６２９５４号の発明とは本質的に異なるものである。
の如く、アルミナ基板２１上に電極２２を印刷後、その
端部上に電極線２３の一端をのせ、その一端上をさらに
アルミナ基板２４でおさえて、電極線を印刷電極２２の
厚さだけアルミナ基板から浮かせて感ガス層２５を形成
している。しかしながら、この方法では電極線２３の浮
きは印刷電極２２の厚さであるため、５〜２０ｊＩＷｌ
にすぎない。実開昭６２−６２９５４号の発明の目的は
感ガス層２５が基板２１から剥離したときにその空隙に
たまるカーボンを介したリーク電流の防止にあるから、
電極２３が感ガス層２５中に埋設されていればよく、電
極線２３と基板２１との間隔をそれ以上大きくする動機
がない。実際、実開昭６２−６２９５４号は断面円形の
電線２３ならば基板２１に接するようにしてもよいとま
で記載している。本発明は、センサーの良好な動作温度
範囲を拡げるためには、電極を基板から１００陣以上離
す必要があるという知見にもとづくもので、実開昭６２
−６２９５４号の発明とは本質的に異なるものである。
電極と基板の間の酸化物半導体層の厚みが増加するほど
、リーン抵抗、リッチ抵抗とも下がるが、リーン抵抗よ
りリッチ抵抗がより大きく下がってセンサー作動温度幅
が増大する。
、リーン抵抗、リッチ抵抗とも下がるが、リーン抵抗よ
りリッチ抵抗がより大きく下がってセンサー作動温度幅
が増大する。
第１図に示すようにアルミナグリーンシート３１にヒー
タ３２を印刷したもの、何も印刷してないアルミナグリ
ーンシート３３、感ガス層塗布部を窓枠状に打抜いてリ
ード線３５を印刷したアルミナグリーンシート３４、長
さの短い何も印刷してないアルミナグリーンシート３６
を順に積層し、この時に、窓枠シート３４の上部に厚さ
数十ミクロン程度の白金板３７をはさみ込んで、第２図
の如きアルミナ基板積層体を形成する。この積層体を５
００℃まで５ｔ： ／Ｈｒで昇温する事により脱脂し、
その後１５００℃で焼成し、アルミナ基板とした。
タ３２を印刷したもの、何も印刷してないアルミナグリ
ーンシート３３、感ガス層塗布部を窓枠状に打抜いてリ
ード線３５を印刷したアルミナグリーンシート３４、長
さの短い何も印刷してないアルミナグリーンシート３６
を順に積層し、この時に、窓枠シート３４の上部に厚さ
数十ミクロン程度の白金板３７をはさみ込んで、第２図
の如きアルミナ基板積層体を形成する。この積層体を５
００℃まで５ｔ： ／Ｈｒで昇温する事により脱脂し、
その後１５００℃で焼成し、アルミナ基板とした。
この時、窓枠状シートの厚さを５０・ １００・ １５
０２００廊と変える事により白金板とアルミナ基板との
間隔を変えた。
０２００廊と変える事により白金板とアルミナ基板との
間隔を変えた。
次にこの白金板電極３７をつつむように感ガス層３８と
してチタニア粉末に有機バインダーを混ぜペースト状に
したものを塗布し１２００℃で焼成した（第３図）。
してチタニア粉末に有機バインダーを混ぜペースト状に
したものを塗布し１２００℃で焼成した（第３図）。
この時のアルミナ基板と電極との間隔ｄと抵抗変化幅の
関係を第４図に示す。なお、同図中の抵抗変化幅はリー
ン抵抗の対数とリッチ抵抗の対数の差である。これによ
ると、電極をアルミナ基板に密着させた時は抵抗変化幅
が３．１桁しかないのに対し、５０７−、 １００−と
アルミナ基板と電極との間隔を変えるにつれて抵抗の変
化幅が増大し、１００−以上で飽和し、最大４．２桁の
抵抗変化幅を得る事ができた。
関係を第４図に示す。なお、同図中の抵抗変化幅はリー
ン抵抗の対数とリッチ抵抗の対数の差である。これによ
ると、電極をアルミナ基板に密着させた時は抵抗変化幅
が３．１桁しかないのに対し、５０７−、 １００−と
アルミナ基板と電極との間隔を変えるにつれて抵抗の変
化幅が増大し、１００−以上で飽和し、最大４．２桁の
抵抗変化幅を得る事ができた。
又、アルミナ基板と電極との間隔が１００−の試料につ
いてリッチ抵抗及びリーン抵抗の温度特性を評価した。
いてリッチ抵抗及びリーン抵抗の温度特性を評価した。
その時の特性を第５図に示す。これによると、本発明の
実施品は５００℃〜９００℃の温度範囲で良好に作動し
、従来のセンサーよりも作動温度範囲を１００℃広げれ
る事をｍ認した。
実施品は５００℃〜９００℃の温度範囲で良好に作動し
、従来のセンサーよりも作動温度範囲を１００℃広げれ
る事をｍ認した。
第６図に電極をアルミナ基板表面に形成した第９図の構
造でチタニア感ガス層の厚みを変化させたときのりッチ
ーリーン抵抗及び抵抗変化幅を示す。感ガス層の厚みの
増加と共にリッチ抵抗、リーン抵抗ともに低下するが、
リッチ抵抗（主にチタニア粒子表面抵抗に基づく）の低
下の方がＩＪ ＋ン抵抗（主にチタニア粒子内抵抗に基
づく）の低下の方が小さいため、抵抗変化幅は感ガス層
の厚みの増加とともに大きくなっている。そして、リッ
チ抵抗、リーン抵抗とも、また従って抵抗変化幅も感ガ
ス層厚みが１００＃ｌＩｌ付近で安定している。
造でチタニア感ガス層の厚みを変化させたときのりッチ
ーリーン抵抗及び抵抗変化幅を示す。感ガス層の厚みの
増加と共にリッチ抵抗、リーン抵抗ともに低下するが、
リッチ抵抗（主にチタニア粒子表面抵抗に基づく）の低
下の方がＩＪ ＋ン抵抗（主にチタニア粒子内抵抗に基
づく）の低下の方が小さいため、抵抗変化幅は感ガス層
の厚みの増加とともに大きくなっている。そして、リッ
チ抵抗、リーン抵抗とも、また従って抵抗変化幅も感ガ
ス層厚みが１００＃ｌＩｌ付近で安定している。
これは電極上の感ガス層の厚みが抵抗変化に及ぼす影響
であるが、電極の下側（基板側）の感ガス層の厚みも抵
抗変化に対して同様に影響するものと考えられ、実際第
４図の結果が得られている。
であるが、電極の下側（基板側）の感ガス層の厚みも抵
抗変化に対して同様に影響するものと考えられ、実際第
４図の結果が得られている。
第７図は、上記と同様にアルミナ基板表面上に電極を設
けた場合のチタニア感ガス層の厚みを変えたときのセン
サー出力電圧幅の変化を示す。電極上のチタニア層の厚
みが５００Ｊ！Ｉｎを越えるとセンサー出力電圧幅が急
激に小さくなり、センサーの応答性が悪くなっている。
けた場合のチタニア感ガス層の厚みを変えたときのセン
サー出力電圧幅の変化を示す。電極上のチタニア層の厚
みが５００Ｊ！Ｉｎを越えるとセンサー出力電圧幅が急
激に小さくなり、センサーの応答性が悪くなっている。
次に、チタニア感ガス層の厚みを５００声に固定して、
厚み３０ＪＩ１１の電極の底面より下方のチタニア層（
下層）の厚みと残りのチタニア層（上層）の厚みとの比
を変えてセンサー出力電圧幅を調べた結果を第８−図に
示す。これから、チタニア感ガス層の厚みが５００７１
ｍの場合には、チタニアの上層対下層の厚みの比が８：
２〜６；４（下層の厚みが１００〜２００−１上層の厚
みが４００〜３００Ｊ−）が好ましいことを示している
。
厚み３０ＪＩ１１の電極の底面より下方のチタニア層（
下層）の厚みと残りのチタニア層（上層）の厚みとの比
を変えてセンサー出力電圧幅を調べた結果を第８−図に
示す。これから、チタニア感ガス層の厚みが５００７１
ｍの場合には、チタニアの上層対下層の厚みの比が８：
２〜６；４（下層の厚みが１００〜２００−１上層の厚
みが４００〜３００Ｊ−）が好ましいことを示している
。
従来のセンサーは作動温度範囲が３００℃しかなかった
のに対し、本発明のガスセンサーは作動温度範囲を４０
０℃に広げることができた。これにより、内蔵ヒータの
精密な温度コントロールを行なわなくても従来のヒータ
コントロールしたセンサーと同等の特性を出すことがで
きるようになった。
のに対し、本発明のガスセンサーは作動温度範囲を４０
０℃に広げることができた。これにより、内蔵ヒータの
精密な温度コントロールを行なわなくても従来のヒータ
コントロールしたセンサーと同等の特性を出すことがで
きるようになった。
精密な温度コントロールをせずにヒータへの通電が一定
電圧を印加するだけでよくなった為にヒータコントロー
ル用のシステムが不要となりその分コストダウンができ
た。
電圧を印加するだけでよくなった為にヒータコントロー
ル用のシステムが不要となりその分コストダウンができ
た。
第１図は実施例のガスセンサーの組立展開図、第２図は
その積層体の斜視図、第３図（ア）（イ）はその横断面
図及び側断面図、第４図はアルミナ基板と電極との間隔
を変えたときの感ガス層の抵抗変化幅の変化を示すグラ
フ図、第５図は実施例のセンサーの温度とリーン−リッ
チ抵抗の関係を示すグラフ図、第６図はＴ】０□膜厚を
変えたときのリッチ抵抗、リーン抵抗及び抵抗変化幅を
示すグラフ図、第７図は電極上の感ガス層の厚みに対す
るセンサー出力電圧幅を示すグラフ図、第８図は電極の
上下層チタニア層の厚みの比とセンサー出力電圧幅の関
係を示すグラフ図、第９図及び第１０図は従来のセンサ
ーの断面構造図及び回路図、第１１図はそのセンサーの
リッチ−リーン抵抗を示すグラフ、第１２図は別の従来
例のセンサーの断面構造図である。 １・・・アルミナ基板、 ２・・・ヒータ、３・・
・電極、 ４・・・チタニア感ガス層、２１
・・・アルミナ基板、 ２２・・・印刷電極、２３・
・・電線、２４・・・アルミナ板、３１・・・アルミナ
板、３２・・・ヒータ、３３・・・アルミナ板、３４・
・・アルミナ板（窓枠）、３５・・・配線、
３７・・・白金電極、３８・・・チタニア感ガス層。
その積層体の斜視図、第３図（ア）（イ）はその横断面
図及び側断面図、第４図はアルミナ基板と電極との間隔
を変えたときの感ガス層の抵抗変化幅の変化を示すグラ
フ図、第５図は実施例のセンサーの温度とリーン−リッ
チ抵抗の関係を示すグラフ図、第６図はＴ】０□膜厚を
変えたときのリッチ抵抗、リーン抵抗及び抵抗変化幅を
示すグラフ図、第７図は電極上の感ガス層の厚みに対す
るセンサー出力電圧幅を示すグラフ図、第８図は電極の
上下層チタニア層の厚みの比とセンサー出力電圧幅の関
係を示すグラフ図、第９図及び第１０図は従来のセンサ
ーの断面構造図及び回路図、第１１図はそのセンサーの
リッチ−リーン抵抗を示すグラフ、第１２図は別の従来
例のセンサーの断面構造図である。 １・・・アルミナ基板、 ２・・・ヒータ、３・・
・電極、 ４・・・チタニア感ガス層、２１
・・・アルミナ基板、 ２２・・・印刷電極、２３・
・・電線、２４・・・アルミナ板、３１・・・アルミナ
板、３２・・・ヒータ、３３・・・アルミナ板、３４・
・・アルミナ板（窓枠）、３５・・・配線、
３７・・・白金電極、３８・・・チタニア感ガス層。
Claims (1)
- １、セラミックス基板上に酸化物半導体からなる感ガス
層を有し、該感ガス層中に２本の電極を上記セラミック
ス基板より１００μｍ以上離隔して埋設したことを特徴
とする酸素センサー。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP4460890A JPH03248053A (ja) | 1990-02-27 | 1990-02-27 | 酸素センサー |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP4460890A JPH03248053A (ja) | 1990-02-27 | 1990-02-27 | 酸素センサー |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH03248053A true JPH03248053A (ja) | 1991-11-06 |
Family
ID=12696162
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP4460890A Pending JPH03248053A (ja) | 1990-02-27 | 1990-02-27 | 酸素センサー |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH03248053A (ja) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5756971A (en) * | 1992-12-04 | 1998-05-26 | Robert Bosch Gmbh | Ceramic heater for a gas measuring sensor |
-
1990
- 1990-02-27 JP JP4460890A patent/JPH03248053A/ja active Pending
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5756971A (en) * | 1992-12-04 | 1998-05-26 | Robert Bosch Gmbh | Ceramic heater for a gas measuring sensor |
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