JPH04110650A - Carbon-dioxide/oxygen sensor - Google Patents

Carbon-dioxide/oxygen sensor

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JPH04110650A
JPH04110650A JP2229447A JP22944790A JPH04110650A JP H04110650 A JPH04110650 A JP H04110650A JP 2229447 A JP2229447 A JP 2229447A JP 22944790 A JP22944790 A JP 22944790A JP H04110650 A JPH04110650 A JP H04110650A
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JP
Japan
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gas
carbon dioxide
oxygen
sensor element
solid electrolyte
Prior art date
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Application number
JP2229447A
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Japanese (ja)
Inventor
Yoshio Matsuda
松田 良夫
Hiroshi Kuwajima
桑嶌 宏
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Toray Industries Inc
Original Assignee
Toray Industries Inc
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  • Measuring Oxygen Concentration In Cells (AREA)

Abstract

PURPOSE:To perform the measurement of the concentration of each gas in real time by operat ing an oxygen sensor element and a carbon dioxide gas sensor element under the state wherein the elements are heated to the same temperature, and measuring the concentration of oxygen gas and the concentration of carbon dioxide gas in gas to be detected which is made to flow into O<2-> conductive solid electrolyte. CONSTITUTION:A oxygen sensor element and a carbon dioxide sensor element are heated to the same temperature with a heater 9. When gas to be detected is made to flow into an O<2-> conductive solid electrolyte 1, the gas to be detected comes into contact with detecting electrodes 2 of the oxygen sensor element and a detecting electrode 6 of the carbon dioxide sensor element B at the same time. A reference electrode 3 of the oxygen sensor element is in contact with air. Therefore, in the oxygen sensor element, the sensor output corresponding to the ratio between the partial pressure of the oxygen in the air and the partial pressure of the oxygen gas in the gas to be detected is generated. The output is inputted into a signal processing circuit 13 through lead wires 2a and 3a. At the same time, in the carbon dioxide sensor element, the sensor output corresponding to the partial pressure of the carbon dioxide in the gas to be detected is generated and inputted into the circuit 13 through lead wires 5a and 6a. Thus, the concentration of the oxygen gas and the concentration of the carbon dioxide gas in the gas to be detected are measured.

Description

【発明の詳細な説明】 (産業上の利用分野) 本発明は、酸素イオン伝導性固体電解質とナトリウムイ
オン伝導性固体電解質を用いて、被検ガス中の酸素濃度
と炭酸ガス濃度を同時に測定することができる炭酸ガス
・酸素センサに関する。
[Detailed Description of the Invention] (Industrial Application Field) The present invention uses an oxygen ion conductive solid electrolyte and a sodium ion conductive solid electrolyte to simultaneously measure the oxygen concentration and carbon dioxide concentration in a sample gas. Regarding carbon dioxide gas/oxygen sensors that can be used.

(従来の技術) 近年、園芸または医療の分野における雰囲気の監視や制
御、配管内またはトンネル内における作業中の酸欠状態
の測定、燃焼管理、さらに、バイオテクノロジー関連の
実験雰囲気の監視や制御などの技術分野では、酸素濃度
や炭酸ガス濃度の測定が行なわれている。そして、これ
らのガス濃度の測定は、それぞれを単独で行なうよりも
、同時に行なうことの方が効果的であるとされている。
(Prior art) In recent years, monitoring and control of the atmosphere in the fields of horticulture or medicine, measurement of oxygen deficient conditions during work in piping or tunnels, combustion management, and monitoring and control of the atmosphere in experiments related to biotechnology, etc. In this technical field, oxygen concentration and carbon dioxide concentration are measured. It is said that it is more effective to measure these gas concentrations at the same time than to measure each gas individually.

ところで、被検ガス中の酸素ガス濃度を測定する方法と
しては、従来から、酸素イオン(0ト)伝導性固体電解
質を用いた濃淡電池における酸素ガス濃度の変化に伴う
発生起電力を測定する方法、ガルバニ電池における電解
質への溶存酸素の変化に伴う起電力変化を1jll+定
する方法、金属酸化物半導体への酸素ガスの吸着量の変
化に伴う前記金属酸化物半導体の抵抗変化を測定する方
法、酸素イオン伝導性固体電解質に電圧を印加したとき
の、酸素ガス濃度変化に伴う発生限界電流値を測定する
方法などが知られている。
By the way, the conventional method for measuring the oxygen gas concentration in the test gas is to measure the electromotive force generated as the oxygen gas concentration changes in a concentration battery using an oxygen ion (0) conductive solid electrolyte. , a method for determining a change in electromotive force due to a change in oxygen dissolved in an electrolyte in a galvanic cell, a method for measuring a change in resistance of the metal oxide semiconductor due to a change in the amount of oxygen gas adsorbed to the metal oxide semiconductor, A known method is to measure the limit current value generated as a result of a change in oxygen gas concentration when a voltage is applied to an oxygen ion conductive solid electrolyte.

一方、被検ガス中の炭酸ガス濃度を測定する方法として
は、従来から、非分散型赤外線吸収分析法、熱伝導度演
算法、隔膜式ガラス電極法などが知られている。
On the other hand, conventionally known methods for measuring the carbon dioxide concentration in a sample gas include a non-dispersive infrared absorption analysis method, a thermal conductivity calculation method, and a diaphragm type glass electrode method.

上記した個々の測定方法を組合わせることにより、被検
ガス中の酸素ガス濃度と炭酸ガス濃度を測定するために
、現在、次のような測定機器が市場に提供されている。
The following measuring instruments are currently provided on the market in order to measure the oxygen gas concentration and carbon dioxide gas concentration in the test gas by combining the individual measurement methods described above.

すなわち、02−伝導性固体電解質として安定化ジルコ
ニアを用いた濃淡電池式の酸素センサと非分散型赤外線
吸収分析法式の炭酸ガスセンサとを互いに直列に接続し
て1個の容器の中に収納したタイプの炭酸ガス・酸素セ
ンサである。
That is, 02 - a type in which a concentration battery type oxygen sensor using stabilized zirconia as a conductive solid electrolyte and a non-dispersive infrared absorption analysis type carbon dioxide sensor are connected in series and housed in one container. This is a carbon dioxide gas/oxygen sensor.

(発明が解決しようとする課題) しかしながら、上記したタイプの炭酸ガス・酸素センサ
は、従来からある個々の炭酸カスセンサと酸素センサを
単に1個の容器に収納したのみであるため、正確には、
炭酸カス濃度と酸素カス濃度をリアルタイムで測定でき
るというセンサとはいえない。
(Problem to be Solved by the Invention) However, since the above-mentioned type of carbon dioxide gas/oxygen sensor simply stores the conventional individual carbon dioxide sensor and oxygen sensor in one container, precisely,
It cannot be said that this sensor can measure carbon dioxide sludge concentration and oxygen sludge concentration in real time.

しかも、このセンサ、とくに炭酸ガスセンサの方は高価
でかつ大型であり、しかも精度も不充分であるため、汎
用性に欠けるという問題がある。
Moreover, this sensor, especially the carbon dioxide sensor, is expensive and large, and has insufficient accuracy, so there is a problem that it lacks versatility.

本発明は、上記した問題を解決し、炭酸カス濃度と酸素
ガス濃度をリアルタイムで測定することができ、しかも
測定値は安定性に富むと同時に精度が高く、そして、安
価に、またサイズも小型に製造することができる炭酸カ
ス・酸素センサの提供を目的とする。
The present invention solves the above-mentioned problems and can measure carbon dioxide concentration and oxygen gas concentration in real time, and the measured values are highly stable and accurate, and are inexpensive and small in size. The purpose of the present invention is to provide a carbon dioxide/oxygen sensor that can be manufactured in a number of steps.

(課題を解決するための手段) ところで、小型の炭酸ガスセンサを安価に製造するとい
う問題に関しては、最近、東京工業大学工業材料研究所
の火山、佐々木、斉藤らによって、基準ガスを用いるこ
となく直接被検ガス中に挿入して炭酸ガス濃度を測定す
るセンサが提案されている。
(Means for solving the problem) By the way, regarding the problem of manufacturing a small carbon dioxide gas sensor at low cost, Kazuki, Sasaki, Saito et al. A sensor has been proposed that is inserted into a sample gas to measure carbon dioxide concentration.

この炭酸ガスセンサは、活物質として炭酸ナトリウム(
NaxCOs )を用い、またナトリウムイオン(N 
a”)伝導性固体電解質および標準物質としてNa、、
Zr25ixPs−30,2(ただし、Xは0≦X≦3
の関係を満足する数を表す。通常、この固体電解質はN
ASICONとよばれている。)を用いた全固体センサ
であり、被検ガス中の炭酸ガスの濃度変化をナトリウム
濃淡電池の起電力の変化として測定するというものであ
る。
This carbon dioxide gas sensor uses sodium carbonate (
NaxCOs) and sodium ions (N
a”) Conductive solid electrolyte and Na as a standard substance,
Zr25ixPs-30,2 (X is 0≦X≦3
represents a number that satisfies the relationship. Usually, this solid electrolyte is N
It is called ASICON. ) is an all-solid-state sensor that measures changes in the concentration of carbon dioxide in the sample gas as changes in the electromotive force of a sodium concentration battery.

上記した炭酸ガスセンサは、その作動原理を、Au(検
知電極)  l NazCOa  l NAS I C
0NAu(基準電極)、という構成の電池として表現す
ることができ、その作動温度は300〜750℃である
The above-mentioned carbon dioxide gas sensor has an operating principle based on Au (sensing electrode) l NazCOa l NAS I C
It can be expressed as a battery with a configuration of 0NAu (reference electrode), and its operating temperature is 300 to 750°C.

一方、02−伝導性固体電解質として安定化ジルコニア
を用いた前述の酸素センサの場合、その常用作動温度は
500〜800℃の範囲内にある。
On the other hand, in the case of the aforementioned oxygen sensor using stabilized zirconia as the 02-conducting solid electrolyte, its normal operating temperature is in the range of 500-800°C.

したがって、この酸素センサと前述した炭酸ガスセンサ
は、互いの作動温度かオーバラップしているので、両者
を組合わせれば、リアルタイムで被検カス中の炭酸ガス
濃度と酸素ガス濃度を測定することができる小型で安価
な炭酸ガス・酸素センサにすることができる。
Therefore, since the operating temperatures of this oxygen sensor and the carbon dioxide sensor mentioned above overlap with each other, by combining the two, it is possible to measure the carbon dioxide gas concentration and oxygen gas concentration in the sample dregs in real time. It can be made into a small and inexpensive carbon dioxide/oxygen sensor.

本発明の炭酸ガス・酸素センサは、上記した着想に基づ
いて開発されたものである。
The carbon dioxide/oxygen sensor of the present invention was developed based on the above idea.

すなわち、本発明の炭酸ガス・酸素センサは、筒状の0
2−伝導性固体電解質と、該02−伝導性固体電解質の
内壁面および外壁面にそれぞれ形成された電極とを含む
酸素センサ素子;前記02−伝導性固体電解質に内設さ
れた、Na+a+性固体電解質と、該Na+a+性固体
電解質の一方の端部にそのNa+a+性固体電解質と接
触して形成された基準電極と、前記Na+a+性固体電
解質の他方の端部にそのNa+伝導伝導性固体電解液触
または離隔して形成された検知電極と、前記Na+a+
性固体電解質および前記検知電極間を橋絡している炭酸
ナトリウムとを含む炭酸ガスセンサ素子;ならびに、前
記01−伝導性固体電解質を包囲している発熱体;を備
えていることを特徴とする。
That is, the carbon dioxide/oxygen sensor of the present invention has a cylindrical
2-An oxygen sensor element comprising a conductive solid electrolyte and electrodes formed on the inner and outer wall surfaces of the 02-conductive solid electrolyte; 02-Na+a+ solid disposed inside the conductive solid electrolyte an electrolyte, a reference electrode formed on one end of the Na+a+ solid electrolyte in contact with the Na+a+ solid electrolyte, and a reference electrode formed on the other end of the Na+a+ solid electrolyte in contact with the Na+ conductive solid electrolyte. Alternatively, the sensing electrodes formed apart from each other and the Na+a+
A carbon dioxide gas sensor element comprising a conductive solid electrolyte and sodium carbonate bridging between the sensing electrodes; and a heating element surrounding the conductive solid electrolyte.

(作用) ます、本発明の炭酸カス・酸素センサの一方を構成する
酸素センサ素子は、500〜800℃の温度に加熱され
た状態で使用される。
(Function) First, the oxygen sensor element constituting one of the carbon dioxide scum/oxygen sensors of the present invention is used in a heated state at a temperature of 500 to 800°C.

この状態において、筒状の02−伝導性固体電解質の外
壁面に接触して形成されている電極(基準電極)に、酸
素ガス濃度が既知の基準カスまたは一定の酸素分圧を与
える酸素分圧基準物質を接触させ、また、02−伝導性
固体電解質の内側に酸素ガス濃度が未知の被検ガスを流
して、それを内壁面に接触して形成されている他方の電
極(検知電極)に接触させると、両電極間には、酸素ガ
ス濃度(分圧)の差に対応した起電力が発生する。この
起電カニE° は、次式で示される。
In this state, the oxygen partial pressure that gives a reference gas with a known oxygen gas concentration or a constant oxygen partial pressure to the electrode (reference electrode) formed in contact with the outer wall surface of the cylindrical 02-conductive solid electrolyte A reference substance is contacted, and a test gas with an unknown oxygen gas concentration is flowed inside the 02-conductive solid electrolyte, and it is applied to the other electrode (sensing electrode) formed by contacting the inner wall surface. When brought into contact, an electromotive force corresponding to the difference in oxygen gas concentration (partial pressure) is generated between the two electrodes. This electromotive force E° is expressed by the following equation.

E’ = (RT/ 4 F Lj’ n(P O′2
/ P O’t)−(1)ここで、 F:ファラデ一定数、R:ガス定数、T:絶対温度(K
)、Po′2+基準ガス中の酸素ガス濃度(分圧) 、
P O’2・被検ガス中の酸素ガス濃度(分圧)、を表
わす。
E' = (RT/ 4 F Lj' n(P O'2
/ P O't) - (1) where, F: Faraday constant, R: gas constant, T: absolute temperature (K
), Po'2+ oxygen gas concentration (partial pressure) in the reference gas,
P O'2 represents the oxygen gas concentration (partial pressure) in the test gas.

したかって、測定温度を一定とし、基準カスの酸素ガス
濃度を既知とすれば、発生起電力E°は被検ガス中の酸
素ガス濃度(分圧)の関数となる。
Therefore, if the measurement temperature is constant and the oxygen gas concentration of the reference gas is known, the generated electromotive force E° becomes a function of the oxygen gas concentration (partial pressure) in the test gas.

それゆえ、起電力と酸素カス分圧との関係を予め検量線
として作成しておけば、この検量線に基づき、02−伝
導性固体電解質の内側に被検ガスを流したときにこのセ
ンサ素子か示す起電力から被検ガス中の酸素ガス分圧、
すなわち、酸素ガス濃度を知ることができる。
Therefore, if the relationship between the electromotive force and the oxygen gas partial pressure is created in advance as a calibration curve, based on this calibration curve, when the test gas is flowed inside the 02-conductive solid electrolyte, this sensor element From the electromotive force shown, the partial pressure of oxygen gas in the test gas,
That is, the oxygen gas concentration can be known.

一方、炭酸ガスセンサ素子は、300〜7500Cの温
度に加熱された状態で使用される。
On the other hand, the carbon dioxide sensor element is used while being heated to a temperature of 300 to 7500C.

上記温度に加熱されているセンサ素子に、炭酸ガスを含
有する被検ガスが接触すると、検知電極と基準電極の間
には、炭酸ガス濃度(分圧)に比例した起電力が発生す
る。この起電カニEは次式%式% F:ファラデ一定数、R;ガス定数、T:絶対温度(K
)、ΔG01:化学種i化学種車種成エネルギ、aI 
:化学種1種の活量、Pl :化字種1種の分圧、P*
 二人気圧(1,01xl 05Pa )、を表す。
When a test gas containing carbon dioxide comes into contact with the sensor element heated to the above temperature, an electromotive force proportional to the carbon dioxide concentration (partial pressure) is generated between the detection electrode and the reference electrode. This electromotive crab E is expressed by the following formula % formula % F: Faraday constant, R: gas constant, T: absolute temperature (K
), ΔG01: chemical species i chemical species car model formation energy, aI
: Activity of one chemical species, Pl : Partial pressure of one chemical species, P*
It represents the atmospheric pressure for two people (1,01xl 05Pa).

従って、測定温度を一定とし、Na+aI性固体電解質
中のNa、0の活量を一定とすれば、画電極間に発生す
る起電力Eは被検ガス中の炭酸ガスの分圧の関数となる
。それゆえ、起電力と炭酸ガス分圧との関係を予め検量
線として作成しておけば、この検量線に基づき、この炭
酸ガスセンサ素子を被検ガス中に挿入したときにこのセ
ンサ素子が示す起電力から被検ガス中の炭酸ガス分圧、
すなわち濃度を知ることができるようになる。
Therefore, if the measurement temperature is kept constant and the activity of Na and 0 in the Na+aI solid electrolyte is kept constant, the electromotive force E generated between the image electrodes is a function of the partial pressure of carbon dioxide in the sample gas. . Therefore, if the relationship between the electromotive force and the partial pressure of carbon dioxide is created as a calibration curve in advance, then based on this calibration curve, the electromotive force that the sensor element will exhibit when inserted into the gas to be measured will be calculated based on this calibration curve. Partial pressure of carbon dioxide in the test gas from electric power,
In other words, it becomes possible to know the concentration.

本発明の炭酸ガス・酸素センサは、前述した筒状の02
−伝導性固体電解質の内側に上記の炭酸ガスセンサ素子
が配置され、そして、O!−伝導性固体電解質は単一の
発熱体で包囲されている。したがって、まず、酸素セン
サ素子と炭酸ガスセンサ素子は、上記発熱体によって一
緒に同一温度に加熱された状態で作動し、また02−伝
導性固体電解質の内側に流した被検ガス中の酸素ガス濃
度は、(1)式に基づいて酸素センサ素子で測定され、
同時に、被検ガス中の炭素ガス濃度は、(2)式に基づ
いて炭酸ガスセンサ素子で測定される。すなわち、各ガ
ス濃度の測定はリアルタイムで進行する。
The carbon dioxide/oxygen sensor of the present invention has the above-mentioned cylindrical 02
- The above carbon dioxide sensor element is arranged inside the conductive solid electrolyte, and O! - The conductive solid electrolyte is surrounded by a single heating element. Therefore, first, the oxygen sensor element and the carbon dioxide sensor element operate in a state where they are heated together to the same temperature by the heating element, and the oxygen gas concentration in the test gas flowing inside the conductive solid electrolyte. is measured by the oxygen sensor element based on equation (1),
At the same time, the carbon gas concentration in the test gas is measured by the carbon dioxide sensor element based on equation (2). That is, measurement of each gas concentration proceeds in real time.

(実施態様) 以下、図面に基づいて本発明の各実施態様を詳細に説明
する。
(Embodiments) Hereinafter, each embodiment of the present invention will be described in detail based on the drawings.

第1図は、実施態様の炭酸ガス・酸素センサA(破線で
囲んだ部分)と全体の起電力測定系の構成図である。
FIG. 1 is a configuration diagram of the carbon dioxide/oxygen sensor A (the part surrounded by the broken line) and the entire electromotive force measurement system of the embodiment.

まず、センサAにおいて、酸素センサ素子は、中空部1
aを有する筒状の02−伝導性固体電解質1と、この0
2〜伝導性固体電解質lの内壁面1bおよび外壁面1c
に接触し、互いに0ト伝導性固体電解質lを挾むように
して形成されている電極2、電極3と、これらの電極2
.3から引出されているリード線2a、3aとで構成さ
れている。
First, in sensor A, the oxygen sensor element is
A cylindrical 02-conductive solid electrolyte 1 having a
2 ~ Inner wall surface 1b and outer wall surface 1c of conductive solid electrolyte 1
Electrodes 2 and 3 are formed in such a way that they are in contact with each other and sandwich a conductive solid electrolyte l between them, and these electrodes 2
.. It consists of lead wires 2a and 3a drawn out from 3.

ここで、電極2が酸素ガス用の検知電極として作用し、
また電極3が酸素ガス用の基準電極として作用する。
Here, the electrode 2 acts as a sensing electrode for oxygen gas,
The electrode 3 also acts as a reference electrode for oxygen gas.

02−伝導性固体電解質1の両端には、開口部1d、1
eが形成されていて、一方の開口部1dは流量計11と
ポンプ12を介して被検ガス供給源(図示しない)と接
続し、他方の開口部1eは開放になっている。したがっ
て、供給源からポンプ12によって供給される被検ガス
は、流量計11で流量調節され、開口部1dから中空部
1aに導入され、そして開口部1eから導出される。
02-A conductive solid electrolyte 1 has openings 1d and 1 at both ends.
One opening 1d is connected to a test gas supply source (not shown) via a flowmeter 11 and a pump 12, and the other opening 1e is open. Therefore, the test gas supplied from the supply source by the pump 12 is adjusted in flow rate by the flow meter 11, introduced into the hollow part 1a through the opening 1d, and then led out through the opening 1e.

上記した0!−伝導性固体電解質lは、所定の原料粉末
を筒状にラバープレス成形し、得られた筒状成形体を焼
結し、ついでこの筒状焼結体をダイヤモンドカッターや
旋盤のような加工機械を用いて上記形状に切削加工する
ことにより製作することができる。
0 mentioned above! - The conductive solid electrolyte is produced by rubber pressing a specified raw material powder into a cylindrical shape, sintering the resulting cylindrical molded body, and then processing this cylindrical sintered body using a processing machine such as a diamond cutter or lathe. It can be manufactured by cutting into the above shape using a .

ここで、02−伝導性固体電解質としては、次式(MO
xh−、(RyOz)x (式中、MはZ r”、T 
h”Hf”、Ce’+の4価陽イオンを表わし、RはM
 g2 +Ca” 、Sr” 、Ba” 、Co” 、
Ni”、Cu”の2価陽イオンまたはF e”、In”
、S03+、Y”Sm” 、Eu” 、Gd” 、Tb
”、Dy3+、Ho”Er” 、Tm” 、Yb” 、
Lu”+の3価陽イオンを表わし、Xは0.05〜0.
30の数を表わし、yおよびZは(RyOz)を電気的
に中性にする数を表わす)で示される化合物1次式・(
B i20.)(RyOz)x (式中、RはMg2+
、Ca2+、Sr2+B a” 、Co” 、N i”
 、Cu” 、P b2+の2価陽イオン、F e” 
、In”、3 c3+ 、Y3+、Sm”Eu” 、G
d” 、Tb” 、Dy”、Ho”、E r”Tll1
3+、Yb3+、Lu針の3価陽イオン、またはW6+
を表わし、Xは0.05〜0JOO数を表わし、yおよ
び2は(RyOz)を電気的に中性にする数を表わす)
で示される化合物;を用いることができる。
Here, as the 02-conductive solid electrolyte, the following formula (MO
xh-, (RyOz)x (where M is Z r", T
h"Hf", represents a tetravalent cation of Ce'+, R is M
g2 +Ca", Sr", Ba", Co",
Divalent cations of Ni", Cu" or Fe", In"
, S03+, Y"Sm", Eu", Gd", Tb
”, Dy3+, Ho”Er”, Tm”, Yb”,
It represents a trivalent cation of Lu"+, and X is 0.05 to 0.
30, and y and Z represent the numbers that make (RyOz) electrically neutral).
B i20. )(RyOz)x (wherein, R is Mg2+
, Ca2+, Sr2+B a”, Co”, N i”
, Cu”, divalent cation of P b2+, Fe”
, In", 3 c3+, Y3+, Sm"Eu", G
d", Tb", Dy", Ho", E r"Tll1
3+, Yb3+, trivalent cation of Lu needle, or W6+
(X represents the number of 0.05 to 0 JOO, y and 2 represent the number that makes (RyOz) electrically neutral)
A compound represented by: can be used.

上記した02−伝導性固体電解質は、それぞれの内部イ
ンピーダンスが若干具なっているので、前述した作動原
理によれば、得られた各センサの示す起電力や応答速度
も異なってくる可能性がある。
Each of the 02-conductive solid electrolytes described above has a slightly different internal impedance, so according to the operating principle described above, the electromotive force and response speed of each obtained sensor may also differ. .

しかしながら、この点に関していえば、上述した各化合
物はいずれも高い02−伝導性を示すので、実用上、セ
ンサとしての性能に支障をきたすことはない。
However, in this regard, since each of the above-mentioned compounds exhibits high 02-conductivity, there is no problem in practical performance as a sensor.

02−伝導性固体電解質1の内・外壁面1b、1cに形
成される一対の電極2.3は、いずれも多孔質のガス拡
散電極である。
02-A pair of electrodes 2.3 formed on the inner and outer wall surfaces 1b and 1c of the conductive solid electrolyte 1 are both porous gas diffusion electrodes.

これらの電極は、スパッタリング法や蒸着法などによっ
ても形成することができるが、酸素センサの大きさや形
状からして、電極素材の微粉を含むペーストを02−伝
導性固体電解質の両壁面に塗布したのち、これを所定温
度で焼成して焼付けるというペースト塗布熱分解法によ
って形成することが簡便であるので好適である。これら
電極の素材としては、高温下においても02−伝導性固
体電解質の構成材料や酸素が固溶しない素材であり、ま
た酸素の解離反応に対して触媒効果を有する素材である
という点で白金(Pt )が好適である。
These electrodes can also be formed by sputtering or vapor deposition, but due to the size and shape of the oxygen sensor, we applied a paste containing fine powder of the electrode material to both walls of the 02-conductive solid electrolyte. It is convenient and preferable to form the film by a paste coating pyrolysis method in which the film is then baked at a predetermined temperature. The material for these electrodes is platinum (platinum) because it is a material that does not dissolve oxygen and the constituent materials of the 02-conductive solid electrolyte even at high temperatures, and it is a material that has a catalytic effect on the dissociation reaction of oxygen. Pt) is preferred.

また、酸素センサの作動温度を下げ、応答速度を速める
という点からすると、特開昭50−91389号公報で
開示されているように、電極素材の粉末に02−伝導性
固体電解質の粉末を混合してなるペーストを用いると、
より効果的である。
In addition, from the point of view of lowering the operating temperature of the oxygen sensor and increasing the response speed, it is possible to mix 02-conductive solid electrolyte powder into the electrode material powder, as disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 50-91389. If you use the paste made from
more effective.

ところで、後述する炭酸ガスセンサ素子は、400℃以
上の温度に加熱されると、センサ素子を構成するNa2
COsの一部がNa2OとCe2に熱分解しはじめる。
By the way, when the carbon dioxide sensor element described below is heated to a temperature of 400°C or higher, Na2 constituting the sensor element
A portion of COs begins to thermally decompose into Na2O and Ce2.

そして、酸素センサ素子の電極2(検知電極)が、上記
したようにPtで構成されていると、このPtと前述の
Na2OからのNaと被検ガス中の酸素との開で固溶体
が生成してPt電極2の劣化することが想定される。
If the electrode 2 (sensing electrode) of the oxygen sensor element is made of Pt as described above, a solid solution will be generated by the interaction of this Pt, Na from the aforementioned Na2O, and oxygen in the test gas. It is assumed that the Pt electrode 2 deteriorates as a result.

このような問題の発生に対しては、一般に酸化物電極材
として知られていて、安定化ジルコニアとの熱膨張差も
小さい材料である、たとえば、次式:La1−8S r
、M O3(式中、MはMn” 、Co”Fe”+のよ
うな陽イオンを表わし、XはO≦Xく1.00の数を表
わす)で示される化合物、または、次式: La、−z
sr、M’、−、M”、O,(式中、MlはM n ”
 ”F e” 、Ca” 、Mg”+のような陽イオン
を表わし、M2はCo”、Cr”、AC+のような陽イ
オンを表わし、x、、yはそれぞれ0≦x<1.00゜
0≦y≦1,00の数を表わす)で示される化合物:を
、電極2の素材として用いることにより対処することが
できる。
To solve this problem, we use a material that is generally known as an oxide electrode material and has a small difference in thermal expansion from stabilized zirconia, such as the following formula: La1-8S r
, M O3 (wherein M represents a cation such as Mn" or Co"Fe"+, and X represents a number of O≦X and 1.00), or a compound represented by the following formula: La , -z
sr, M', -, M", O, (where Ml is M n "
"F e" represents a cation such as Ca", Mg"+, M2 represents a cation such as Co", Cr", AC+, x, y are each 0≦x<1.00° This can be solved by using a compound represented by the following formula (representing a number of 0≦y≦1,00) as a material for the electrode 2.

また、電極2かPt電極であった場合でも、第5図およ
び第6図で示した他の実施態様で後述するように、酸素
センサ素子の電極2と炭酸ガスセンサ素子Bの間に、た
とえば、石英管のような耐熱性材料のセンサセル10を
介在させることにより、電極2におけるNaとptと酸
素との反応を起さなくすることができる。
Furthermore, even if the electrode 2 is a Pt electrode, as will be described later in other embodiments shown in FIGS. 5 and 6, between the electrode 2 of the oxygen sensor element and the carbon dioxide sensor element B, for example, By interposing the sensor cell 10 made of a heat-resistant material such as a quartz tube, reactions between Na, pt, and oxygen in the electrode 2 can be prevented.

この酸素センサ素子において、電極2および電極3から
はそれぞれリード線2a、3aが引出され、表示回路1
4と接続している信号処理回路13に接続される。リー
ド線2a、3aからは、酸素ガス濃度の測定時における
起電力信号が取り出され、それは信号処理回路13で処
理され、表示回路14に表示される。
In this oxygen sensor element, lead wires 2a and 3a are drawn out from electrode 2 and electrode 3, respectively, and display circuit 1
It is connected to the signal processing circuit 13 connected to 4. An electromotive force signal at the time of measuring the oxygen gas concentration is taken out from the lead wires 2a and 3a, processed by the signal processing circuit 13, and displayed on the display circuit 14.

これらのリード線2a、3aはそれぞれ電極2、電極3
と同じ素材で構成されていることが好ましく、たとえば
、画電極の形成前または形成と同時に白金ペーストなど
を用いてこれら電極に固定して取付けることか好ましい
These lead wires 2a and 3a are electrode 2 and electrode 3, respectively.
It is preferable that the electrode is made of the same material as the image electrode, and for example, it is preferably fixedly attached to the electrode using platinum paste or the like before or simultaneously with the formation of the picture electrode.

02−伝導性固体電解質lに内設される炭酸ガスセンサ
素子Bについて、次に説明する。
02-The carbon dioxide sensor element B installed in the conductive solid electrolyte 1 will be explained next.

使用する炭酸ガスセンサ素子Bの例を第2図、第3図お
よび第4図に示す。第2図の炭酸ガスセンサ素子は、N
a+伝導性固体電解質4の両端部に、それぞれ、基準電
極5と検知電極6がNa+伝導性固体電解質4に接触し
て形成され、検知電極6側には、この検知電極とNa+
伝導性固体電解質の両者を被覆してNa、CO,の膜7
か形成されているタイプのものである。
Examples of the carbon dioxide sensor element B used are shown in FIGS. 2, 3, and 4. The carbon dioxide sensor element in Figure 2 is N
A reference electrode 5 and a sensing electrode 6 are formed at both ends of the a+ conductive solid electrolyte 4 in contact with the Na+ conductive solid electrolyte 4, and on the sensing electrode 6 side, this sensing electrode and the Na+
Both conductive solid electrolytes are coated with a film 7 of Na, CO,
It is of the type that is formed.

第3図で示した炭酸ガスセンサ素子は、Na+伝導性固
体電解質4と検知電極6が離隔していて、両者を橋絡し
てN a2COsの膜7が形成されているタイプのもの
である。
The carbon dioxide sensor element shown in FIG. 3 is of a type in which an Na+ conductive solid electrolyte 4 and a detection electrode 6 are separated from each other, and a film 7 of Na2COs is formed by bridging them.

また、第4図で示した炭酸ガスセンサ素子は、第2図の
タイプのセンサ素子において、Na+伝導性固体電解質
4の基準電極側の端面に、板状の02″伝導性固体電解
質8を接合し、この02−伝導性固体電解質8に基準電
極5を取付けたタイプのものである。
In addition, the carbon dioxide sensor element shown in FIG. 4 is the sensor element of the type shown in FIG. , this 02-type is a type in which a reference electrode 5 is attached to a conductive solid electrolyte 8.

そして、これらの炭酸ガスセンサ素子のいずれにおいて
も、基準電極5、検知電極6からは、それぞれリード線
5a、6aか引出され、第1図で示したように、これら
リート線5a、6aは、酸素センサ素子の場合と同じよ
うに信号処理回路13に接続されて、センサの起電力は
、表示回路14で表示されるようになっている。
In each of these carbon dioxide sensor elements, lead wires 5a and 6a are drawn out from the reference electrode 5 and the detection electrode 6, respectively, and as shown in FIG. It is connected to a signal processing circuit 13 in the same way as the sensor element, and the electromotive force of the sensor is displayed on a display circuit 14.

これらの炭酸ガスセンサ素子の場合、Na+伝導性固体
電解質4の形状は、円柱状であってもよいが、断面が多
角形の角柱状であってもよく、また円板や角板であって
もよい。
In the case of these carbon dioxide gas sensor elements, the shape of the Na + conductive solid electrolyte 4 may be cylindrical, but may also be prismatic with a polygonal cross section, or may be a disk or a square plate. good.

このような形状のNa+伝導性固体電解質4は、所定の
原料粉末を成形したのち、得られた成形体を焼結し、つ
いでその焼結体をダイヤモンドカッターや旋盤などの加
工機械で上記した形状に切削加工することにより製作す
ることができる。
The Na + conductive solid electrolyte 4 having such a shape is obtained by molding a predetermined raw material powder, sintering the obtained molded body, and then cutting the sintered body into the shape described above using a processing machine such as a diamond cutter or lathe. It can be manufactured by cutting.

Na+伝導性固体電解質としては、前述したNASIC
ONの外に、たとえば、次式:Na2O・xAj?to
a(式中、Xは5〜11の数を表す)で示されるβ−ア
ルミナ;次式: Na++xMxA I I+−xo、
7(式中、Mは、M g2 +、Ca”、S r”、B
 a”CO”” 、N i” 、Cu2+の2価陽イオ
ンを表し、Xは0〜2の数を表す)で示されるβ”−ア
ルミナ; Na++xZr2−xMxPaou(式中、
Mは、F e”In 3 +、Sc3+、Y2+、Sm
” 、Eu” 、Gd”Tb3+、Dy3+、Ho3+
、E「3+、T[[13+、y b 2 +Lu3+の
3価陽イオンを表し、Xは0〜2の数を表す)で示され
る化合物:次式二Nal+p□Z r、−8MxP30
u(式中、Mは、Mg”、Ca”、S r”Ba” 、
Co” 、N1” 、Cu”+の2価陽イオンを表し、
XはO〜2の数を表す)で示される化合物;次式: N
aM S i+o 1t (式中、Mは、Fe”1 n
 3 +、SC” 、Y”、Sm” 、Eu” 、Gd
”Tb3+、Dy3+、Ho3+、Er3+、Tm”、
y b @ +L u”の3価陽イオンを表し、XはO
〜2の数を表す)で示され、NMS−NAS I CO
Nと呼ばれる化合物;次式: Na5M S i+o 
1t (式中、Mは、F e” 、In”、SC” 、
Y″+、Sm” 、Eu”Gd3+、Tb3+、Dy3
+、Ho3+、E r”、Tm”Yb” 、Lu3+の
3価陽イオンを表し、Xは0〜2の数を表す)で示され
る化合物;・Nap、Ai’ 1.7Sio、 304
  ; Na3 S CP 3012を用いることがで
きる。
As the Na+ conductive solid electrolyte, the above-mentioned NASIC
In addition to ON, for example, the following formula: Na2O x Aj? to
β-alumina represented by a (in the formula, X represents a number from 5 to 11); the following formula: Na++xMxA I I+-xo,
7 (wherein, M is M g2 +, Ca'', S r'', B
β”-alumina represented by a“CO””, Ni”, Cu2+ divalent cation, and X represents a number from 0 to 2);
M is F e”In 3 +, Sc3+, Y2+, Sm
", Eu", Gd"Tb3+, Dy3+, Ho3+
, E "3+, T [[13+, represents a trivalent cation of y b 2 + Lu3+, X represents a number from 0 to 2]": Compound represented by the following formula 2Nal+p□Z r, -8MxP30
u (wherein M is Mg", Ca", Sr"Ba",
Represents divalent cations of Co", N1", and Cu"+,
X represents the number of O~2); the following formula: N
aM S i+o 1t (wherein, M is Fe”1 n
3 +, SC", Y", Sm", Eu", Gd
"Tb3+, Dy3+, Ho3+, Er3+, Tm",
y b @ +L u” represents a trivalent cation, and X is O
~2), NMS-NAS I CO
Compound called N; following formula: Na5M Si+o
1t (wherein, M is Fe", In", SC",
Y″+, Sm”, Eu”Gd3+, Tb3+, Dy3
+, Ho3+, Er", Tm"Yb", represents a trivalent cation of Lu3+, X represents a number from 0 to 2); -Nap, Ai' 1.7Sio, 304
; Na3S CP 3012 can be used.

また、特開昭57−135714号公報、特開昭59−
213609号公報、欧州特許公開筒0067274号
公報などで提案されているNa+伝導性固体電解質は、
300〜700℃の比較的低温下においてもNapの導
電率が高い、すなわち、内部インピーダンスが小さいの
で、これらも本発明に係るNa+伝導性固体電解質とし
て用いることができる。
Also, JP-A-57-135714, JP-A-59-
The Na+ conductive solid electrolyte proposed in Publication No. 213609, European Patent Publication No. 0067274, etc.
Since Nap has high conductivity even at relatively low temperatures of 300 to 700°C, that is, its internal impedance is small, these can also be used as the Na + conductive solid electrolyte according to the present invention.

ここで、上記したNa+伝導性固体電解質は、それぞれ
のNa+濃度や内部インピーダンスが若干具なっている
ので、前述した作動原理によれば、得られた各センサの
示す起電力や応答速度も異なってくる。しかしながら、
この点に関していえば、たとえば、起電力については、
各センサにつきそれ固有の検量線を予め作成しておくこ
とによりセンサとしての性能差は解消できるし、また応
答速度についても、上述した各化合物はいずれも高いN
a+伝導性を示すので、実用上、センサとしての性能に
支障をきたすことはない。
Here, since each of the Na+ conductive solid electrolytes described above has a slightly different Na+ concentration and internal impedance, according to the operating principle described above, the electromotive force and response speed of each obtained sensor will also differ. come. however,
In this regard, for example, regarding electromotive force,
By creating a unique calibration curve for each sensor in advance, differences in performance as a sensor can be eliminated, and in terms of response speed, all of the above-mentioned compounds have high N
Since it exhibits a+ conductivity, it does not impede its performance as a sensor in practice.

このようなNa+伝導性固体電解質4の両端部に形成さ
れる基準電極5、検知電極6は、いずれも、多孔質のガ
ス拡散電極である。
The reference electrode 5 and the detection electrode 6 formed at both ends of the Na+ conductive solid electrolyte 4 are both porous gas diffusion electrodes.

これらの電極は、スパッタリング法や蒸着法などによっ
ても形成することができるが、電極素材の微粉を含むペ
ーストをNa+伝導性固体電解質の所定の個所に塗布し
たのち、これを所定温度で焼成して焼付けるというペー
スト塗布熱分解法によって形成することが簡便であると
いうことから好適である。用いる電極の素材としては、
高温下においてもNa、酸素が固溶することがなく、経
時変化も起こりにくいということから金(Au )であ
ることが好ましい。
These electrodes can also be formed by sputtering or vapor deposition, but they can be formed by applying a paste containing fine powder of the electrode material to predetermined locations on the Na + conductive solid electrolyte, and then baking it at a predetermined temperature. Forming by a paste coating pyrolysis method called baking is preferred because it is simple. The material of the electrode used is
Gold (Au) is preferable because Na and oxygen do not form a solid solution even at high temperatures and change over time is less likely to occur.

基準電極5、検知電極6に取付けられるリード線5a、
6は基準電極5、検知電極6と同じ素材で構成されてい
ることが好ましく、たとえば、画電極の形成前または形
成と同時に金ペーストなどを用いてこれら電極に固定し
て取付けることが好ましい。
A lead wire 5a attached to the reference electrode 5 and the detection electrode 6,
6 is preferably made of the same material as the reference electrode 5 and the detection electrode 6, and is preferably fixedly attached to these electrodes using gold paste or the like, for example, before or simultaneously with the formation of the picture electrode.

Na2CO,の膜7は、Na2CO3の水溶液やN12
COaのアルコール懸濁液を、02−伝導性固体電解質
4と検知電極6を橋絡するように塗布したのちそれを乾
燥して形成してもよいが、Na2COaの膜7の固定化
状態を確実にするためには、NatCOaの融液を塗布
して形成することが好ましい。
The film 7 of Na2CO, is made of an aqueous solution of Na2CO3 or N12.
Although an alcohol suspension of COa may be applied to bridge the 02-conductive solid electrolyte 4 and the sensing electrode 6 and then dried, the immobilization state of the Na2COa film 7 is ensured. In order to achieve this, it is preferable to form the layer by applying a NatCOa melt.

すなわち、NazCOsを融点(851°C)以上の温
度に加熱して溶融し、その融液の中に、Na”伝導性固
体電解質4の検知電極側の部分を浸漬したのち引上げて
その浸漬した部分に塗布すればよい。このとき、Nat
COaの融液が基準電極3に接触しないように注意する
That is, NazCOs is heated to a temperature higher than its melting point (851°C) to melt it, and the portion of the Na'' conductive solid electrolyte 4 on the sensing electrode side is immersed in the melt, and then pulled up and the immersed portion is removed. At this time, Nat
Care must be taken to prevent the COa melt from coming into contact with the reference electrode 3.

炭酸ガスφ酸素センサAにおいて、酸素センサ素子の0
!−伝導性固体電解質1の外周は発熱体9で包囲されて
いる。
In the carbon dioxide gas φ oxygen sensor A, the 0 of the oxygen sensor element
! - The outer periphery of the conductive solid electrolyte 1 is surrounded by a heating element 9.

発熱体9は、アルミナ、ジルコニア、窒化ケイ素、窒化
アルミニウムのような耐熱性の電気絶縁性材料の管の周
囲に白金線を巻きつけたり、または白金の微粉末をテレ
ピン油などに分散させて調製したペーストをスクリーン
印刷等の方法で管の表面にパターニングしたのち、これ
を焼付けることによって製造することかできる。そのと
きの発熱体の素材としては、上記白金の外に、ロジウム
、白金−ロジウム合金、タングステン、ニッケルークロ
ム合金も使用することができる。また、上記焼付は法の
外に、管の表面をマスキングして、そこに蒸着法、CV
D法、スパッタリング法、プラズマ溶射法等を適用して
発熱体9を形成したり、無電解めっきを行なって形成す
ることもできる。
The heating element 9 was prepared by winding a platinum wire around a tube made of a heat-resistant electrically insulating material such as alumina, zirconia, silicon nitride, or aluminum nitride, or by dispersing fine platinum powder in turpentine oil or the like. It can be manufactured by patterning the paste on the surface of the tube using a method such as screen printing and then baking the pattern. In addition to platinum, rhodium, platinum-rhodium alloy, tungsten, and nickel-chromium alloy can also be used as the material for the heating element. In addition, the above-mentioned baking is done outside of the law by masking the surface of the tube and applying vapor deposition, CV
The heating element 9 can also be formed by applying the D method, sputtering method, plasma spraying method, etc., or by electroless plating.

発熱体9からは発熱体用のリード線9a、9bが引8さ
れ、これらは、温度制御回路15を介して電源16に接
続されている。
Lead wires 9 a and 9 b for heating elements are drawn from the heating element 9 , and these are connected to a power source 16 via a temperature control circuit 15 .

発熱体を作動せしめて、酸素センサ素子と炭酸ガスセン
サ素子を同じ温度に加熱した状態で、0!−伝導性固体
電解質1の内側に被検ガスを流入させると、被検ガスは
、酸素センサ素子の検知電極である電極2と炭酸ガスセ
ンサ素子Bの検知電極6に略同時に接触する。そして、
酸素センサ素子の基準電極である電極3は、例えば常時
空気と接触している。
When the heating element is activated and the oxygen sensor element and carbon dioxide sensor element are heated to the same temperature, 0! - When the test gas flows into the conductive solid electrolyte 1, the test gas comes into contact with the electrode 2, which is the detection electrode of the oxygen sensor element, and the detection electrode 6 of the carbon dioxide sensor element B, almost simultaneously. and,
The electrode 3, which is the reference electrode of the oxygen sensor element, is in constant contact with air, for example.

したがって、まず、酸素センサ素子は、空気中の酸素分
圧(約0.206)と被検ガス中の酸素ガス分圧との比
に対応するセンサ出力を生じ、これがリード線2a、3
aから取出され信号処理回路13に入力される。
Therefore, first, the oxygen sensor element produces a sensor output corresponding to the ratio of the oxygen partial pressure in the air (approximately 0.206) to the oxygen gas partial pressure in the test gas, and this produces a sensor output that corresponds to the
a and input to the signal processing circuit 13.

また、酸素センサ素子の動作と略同時に、炭酸ガスセン
サ素子も作動して、被検ガス中の炭酸ガス分圧に相当す
るセンサ出力を生じ、これがリード線5a、6aから取
出され信号処理回路13に入力される。
Further, at approximately the same time as the oxygen sensor element operates, the carbon dioxide sensor element also operates, producing a sensor output corresponding to the partial pressure of carbon dioxide in the test gas, which is taken out from the lead wires 5a and 6a and sent to the signal processing circuit 13. is input.

すなわち、リアルタイムで被検ガス中の酸素ガス濃度と
炭酸ガス測定が測定される。
That is, the oxygen gas concentration and carbon dioxide gas concentration in the test gas are measured in real time.

第5図は別の実施態様を示す。FIG. 5 shows another embodiment.

この実施態様のセンサは、O!−伝導性固体電解質の中
空部1aに両端が開口する石英管のようなセンサセルI
Oを配置し、このセンサセルlOの中に炭酸ガスセンサ
素子Bを配置したものである。
The sensor of this embodiment is O! - A sensor cell I like a quartz tube with both ends open in the hollow part 1a of the conductive solid electrolyte
A carbon dioxide gas sensor element B is arranged in this sensor cell lO.

このような構造にすると、酸素センサ素子の電極2がp
t主電極あった場合でも、前述したように、400℃以
上の作動温度で炭酸カスセンサ素子から発生するNa2
Oはセンサセル10によって遮断されるので、Pt電極
2上におけるNaとptと酸素の反応は起らず、pt主
電極劣化を防止することができる。
With this structure, the electrode 2 of the oxygen sensor element is p
Even if there is a main electrode, as mentioned above, Na2 generated from the carbon dioxide sensor element at an operating temperature of 400°C or higher
Since O is blocked by the sensor cell 10, a reaction between Na, PT, and oxygen on the Pt electrode 2 does not occur, and deterioration of the PT main electrode can be prevented.

第6図はさらに別の実施態様を示す。FIG. 6 shows yet another embodiment.

この実施態様のセンサは、02−伝導性固体電解質の中
空部1aに管状のセンサセル10を配置し、中空部1a
とセンサセル10への被検ガスの導入口を別設した、い
わゆる2重管構造のものである。
In the sensor of this embodiment, a tubular sensor cell 10 is arranged in a hollow part 1a of a 02-conductive solid electrolyte, and a
It has a so-called double-tube structure in which an inlet for the gas to be detected into the sensor cell 10 is separately provided.

供給された被検ガスの一部は、開口部1dから中空部1
aを流れて開口部1eから流出して酸素センサ素子でそ
の酸素ガス濃度が測定され、被検ガスの他の部分は、セ
ンサセルlOの開口部10aからセル内に流入して開口
部10bから流出し、その過程で炭酸ガスセンサ素子に
よってその炭酸ガス濃度が測定される。
A part of the supplied gas to be detected flows from the opening 1d to the hollow part 1.
a, flows out from the opening 1e, and the oxygen gas concentration is measured by the oxygen sensor element, and the other part of the test gas flows into the cell from the opening 10a of the sensor cell IO and flows out from the opening 10b. During this process, the carbon dioxide concentration is measured by the carbon dioxide sensor element.

この構造のセンサの場合も、第5図で示した実施態様の
場合と同じように、電極2がPt電極であっても、その
劣化を防止することができる。
In the case of the sensor having this structure, as in the case of the embodiment shown in FIG. 5, even if the electrode 2 is a Pt electrode, its deterioration can be prevented.

(実施例) 実施例1 第1図で示した炭酸ガス・酸素センサを次のようにして
製造した。
(Example) Example 1 The carbon dioxide/oxygen sensor shown in FIG. 1 was manufactured as follows.

すなわち、まず、特級試薬の酸化イツトリウム(YzO
a)粉末と特級試薬の酸化ジルコニウム(ZrO□)粉
末とを、モル比で8:92となるように秤量したのち両
者を混合した。得られた混合粉を、空気中において、1
000℃で2時間、熱処理して固相反応を起こさせて均
質化したのち、ボールミルで24時間粉砕処理を行なっ
た。得られた粉末を1 ton/crlの圧力で円筒状
にラバープレス成形したのち、その成形体を、1750
℃で2時間、熱処理した。イツトリア安定化ジルコニア
の焼結体ブロックが得られた。この焼結体ブロックをダ
イヤモンドカッターと旋盤で加工して、外径8−1内径
6−1長さ60mmの円筒1にした。
That is, first, the special grade reagent ythtrium oxide (YzO
a) The powder and zirconium oxide (ZrO□) powder, which is a special grade reagent, were weighed so that the molar ratio was 8:92, and then the two were mixed. The obtained mixed powder was placed in the air for 1
After heat treatment at 000° C. for 2 hours to cause a solid phase reaction and homogenization, the mixture was pulverized in a ball mill for 24 hours. The obtained powder was rubber press molded into a cylindrical shape at a pressure of 1 ton/crl, and the molded body was
Heat treatment was performed at ℃ for 2 hours. A sintered block of ittria-stabilized zirconia was obtained. This sintered block was processed using a diamond cutter and a lathe to form a cylinder 1 having an outer diameter of 8-1, an inner diameter of 6-1, and a length of 60 mm.

この円筒1の長手方向中央部の内壁および外壁の表面1
bX lcに、直径0.5闘の白金線2a。
Surfaces 1 of the inner and outer walls of the longitudinal center of this cylinder 1
bX lc, platinum wire 2a with a diameter of 0.5 mm.

3aを添着した状態で白金ペーストを長さ10mmに互
って塗布したのち、全体に1100°Cで1時間の熱処
理を施して電極2、電極3をそれぞれ形成し、酸素セン
サ素子とした。
After applying platinum paste to a length of 10 mm with 3a attached thereto, the whole was heat-treated at 1100°C for 1 hour to form electrodes 2 and 3, respectively, to obtain an oxygen sensor element.

つぎに、純度99.9%のリン酸ナトリウム(Na、P
O4)の試薬(無水)とケイ酸ジルコニウム(ZrSi
O+)試薬を、モル比で1=2となるように秤量したの
ち両者を混合した。得られた混合粉を1147°Cで4
8時間、熱処理して固相反応を起こさせて均質化したの
ち、ボールミルで24時間粉砕処理を行なった。得られ
た粉末を1 ton/ciの圧力でラバープレス成形し
たのち、その成形体を、1247℃で12時間、熱処理
した。NASI CONの焼結体ブロックが得られた。
Next, 99.9% purity sodium phosphate (Na, P
O4) reagent (anhydrous) and zirconium silicate (ZrSi
O+) reagents were weighed so that the molar ratio was 1=2, and then both were mixed. The obtained mixed powder was heated to 1147°C for 4 hours.
After heat treatment for 8 hours to cause a solid phase reaction and homogenization, the mixture was pulverized in a ball mill for 24 hours. The obtained powder was rubber press molded at a pressure of 1 ton/ci, and then the molded product was heat-treated at 1247° C. for 12 hours. A sintered block of NASI CON was obtained.

この焼結体ブロックをダイヤモンドカッターと旋盤で加
工して、直径2關、長さ8mmの円柱4とした。この円
柱4の両端部の外周に、直径0.3Lの金線5a、6a
を巻き付け、さらに、この金線の巻き付は個所に金ペー
ストを塗布したのち、全体に700℃で1時間の熱処理
を施して基準電極5、検知電極6を形成した。
This sintered block was processed using a diamond cutter and a lathe to form a cylinder 4 with a diameter of 2 mm and a length of 8 mm. Gold wires 5a, 6a with a diameter of 0.3L are attached to the outer periphery of both ends of this cylinder 4.
Further, gold paste was applied to the parts where the gold wire was wound, and then the whole was heat-treated at 700° C. for 1 hour to form a reference electrode 5 and a detection electrode 6.

ついで、円柱4の検知電極6側を、温度860℃で、特
級試薬の無水炭酸ナトリウムを溶融してなる融液に浸漬
したのちこれを引き上げ、大気中で放冷してNa2CO
3の膜7を形成し、第2図で示したような炭酸ガスセン
サ素子を製造した。
Next, the detection electrode 6 side of the cylinder 4 was immersed in a melt made by melting anhydrous sodium carbonate, which is a special grade reagent, at a temperature of 860°C, and then pulled out and left to cool in the atmosphere to dissolve Na2CO.
A carbon dioxide sensor element as shown in FIG. 2 was manufactured by forming the film 7 of No. 3.

ついで、外径12mm、内径10關、長さ40mmのア
ルミナ管の外壁面に直径0.8mmのニッケルクロム合
金線を巻きつけ、合金線の複数個所をアルミナ系無機接
着剤でアルミナ管に接着して固定したのち、全体の外表
面をアルミナ製のセラミックファイバーで被覆して円筒
発熱体lOを製造した。
Next, a nickel-chromium alloy wire with a diameter of 0.8 mm was wound around the outer wall of an alumina tube with an outer diameter of 12 mm, an inner diameter of 10 mm, and a length of 40 mm, and multiple points of the alloy wire were bonded to the alumina tube with an alumina-based inorganic adhesive. After fixing, the entire outer surface was covered with alumina ceramic fiber to produce a cylindrical heating element IO.

上記した酸素センサ素子の中空部1aに炭酸ガスセンサ
素子Bを挿入し、酸素センサ素子の電極2と炭酸ガスセ
ンサ素子の検知電極6の位置合わせをしたのち、上記円
筒発熱体10に挿入して本発明の炭酸ガス・酸素センサ
を組立てた。
The carbon dioxide sensor element B is inserted into the hollow part 1a of the oxygen sensor element described above, and after aligning the electrode 2 of the oxygen sensor element and the detection electrode 6 of the carbon dioxide sensor element, the element is inserted into the cylindrical heating element 10. Assembled a carbon dioxide gas/oxygen sensor.

このセンサを第1図で示した測定系に組込み、温度制御
回路I5で作動温度を625℃に保持し、流量計11を
調節して、炭酸ガス濃度1100pp、酸素ガス濃度1
8.0%(いずれも窒素バランス)の被検ガスを交互に
、150−/minの流量で中空部1aに流入した。
This sensor was incorporated into the measurement system shown in FIG. 1, the operating temperature was maintained at 625°C by the temperature control circuit I5, and the flow meter 11 was adjusted to achieve a carbon dioxide concentration of 1100 pp and an oxygen gas concentration of 1.
A test gas of 8.0% (both nitrogen balance) was alternately introduced into the hollow portion 1a at a flow rate of 150 −/min.

酸素センサ素子と炭酸ガスセンサ素子とからはリアルタ
イムでセンサ出力か得られた。これらの値からセンサ出
力の濃度勾配(m■/ decade)を計算し、あわ
せて、前述の(1)式および(2)式から求められる上
記条件下における理論濃度勾配を計算し、上記実測値と
の比(%)も計算した。以上の結果を第1表に示した。
Sensor outputs were obtained in real time from the oxygen sensor element and carbon dioxide sensor element. Calculate the concentration gradient (m/decade) of the sensor output from these values, and also calculate the theoretical concentration gradient under the above conditions obtained from equations (1) and (2) above, and calculate the above measured value. The ratio (%) was also calculated. The above results are shown in Table 1.

第   1   表 ()内は理論濃度勾配との比(%) 実施例2 炭酸ガスセンサ素子におけるNa+伝導性固体電解質が
、以下の方法で製造したβ−アルミナであったことを除
いては、実施例1と同様にして炭酸ガス・酸素センサを
製造した。
Table 1 () shows the ratio (%) to the theoretical concentration gradient. Example 2 Example 2 Except that the Na+ conductive solid electrolyte in the carbon dioxide gas sensor element was β-alumina produced by the following method. A carbon dioxide/oxygen sensor was manufactured in the same manner as in Example 1.

試薬特級の無水炭酸ナトリウムと、同じく試薬特級の水
酸化アルミニウムとを、Na2O:Aβ203換算で1
・6 (モル比)となるように秤量し、両者を混合し、
得られた混合物に800℃で12時間の熱処理を施して
固相反応を起こさせて均質化したのち、ボールミルで2
4時間の粉砕処理を行なった。得られた粉末を1 to
n/cr!の圧力でラバープレス成形し、その成形体に
1297℃で12時間の熱処理を施してβ−アルミナの
ブロックとした。
Anhydrous sodium carbonate of special reagent grade and aluminum hydroxide, also of special reagent grade, are converted to 1 in terms of Na2O:Aβ203.
・Weigh it so that it is 6 (molar ratio), mix both,
The resulting mixture was heat-treated at 800°C for 12 hours to cause a solid phase reaction and homogenized, and then heated in a ball mill for 2 hours.
Grinding treatment was carried out for 4 hours. 1 to
n/cr! The molded product was rubber press molded at a pressure of 1,297° C. for 12 hours to obtain a β-alumina block.

このタイプのセンサにつき、実施例1の場合と同様の条
件下で発生起電力を測定し濃度勾配を求めた。その結果
を第2表に示した。
For this type of sensor, the generated electromotive force was measured under the same conditions as in Example 1, and the concentration gradient was determined. The results are shown in Table 2.

第   2   表 ()内は理論濃度勾配に対する比(%)実施例3 酸素センサ素子の02ゴ云導性固体電解質が次のように
して製造された安定化ビスマスであり、また電極2と電
極3の素材が銀(Ag)であったことを除いては、実施
例1と同様にして炭酸ガス・酸素センサを製造した。
Table 2 () shows the ratio (%) to the theoretical concentration gradient. A carbon dioxide/oxygen sensor was manufactured in the same manner as in Example 1, except that the material was silver (Ag).

すなわち、まず、特級試薬の酸化ビスマス(B1203
)粉末と特級試薬の酸化イツトリウム(Y2O3)粉末
とを、BLOa  :Y2O3換算で75+25(モル
比)となるように秤量したのち両者を混合した。得られ
た混合粉を、空気中において、700°Cで3時間、熱
処理して固相反応を起こさせて均質化したのち、ボール
ミルで24時間粉砕処理を行なった。得られた粉末をl
 ton/carの圧力で円筒状にラバープレス成形し
たのち、その成形体を、900℃で20時間、熱処理し
た。安定化ビスマス焼結体のブロックか得られた。この
焼結体ブロックをダイヤモンドカッターと旋盤で加工し
て、外径Sun、内径6内径6畏筒」にした。
That is, first, the special grade reagent bismuth oxide (B1203
) powder and yttrium oxide (Y2O3) powder, which is a special grade reagent, were weighed so that the molar ratio was 75+25 (in terms of BLOa:Y2O3), and then the two were mixed. The obtained mixed powder was heat-treated in air at 700° C. for 3 hours to cause a solid phase reaction and homogenized, and then pulverized in a ball mill for 24 hours. The obtained powder is
After rubber press molding into a cylindrical shape at a pressure of ton/car, the molded product was heat-treated at 900° C. for 20 hours. A block of stabilized bismuth sintered body was obtained. This sintered block was processed using a diamond cutter and a lathe to create a tube with an outer diameter of 6 mm and an inner diameter of 6 mm.

この円筒lの長手方向中央部の内壁および外壁の表面1
b、lcに、直径0.5mmの銀線2a、3aを添着し
た状態で銀ベーストを長さ10mmに亘って塗布したの
ち、全体に700℃で1時間の熱処理を施して電極2、
電極3をそれぞれ形成し、酸素センサ素子とした。
Surfaces 1 of the inner and outer walls of the longitudinal center of this cylinder l
After coating silver base to a length of 10 mm with silver wires 2a and 3a of 0.5 mm in diameter attached to electrodes 2 and lc, the entire body was heat-treated at 700°C for 1 hour to form electrodes 2,
Electrodes 3 were each formed to form an oxygen sensor element.

このタイプのセンサにつき、実施例1の場合と同様の条
件下で発生起電力を測定し濃度勾配を求めた。その結果
を第3表に示した。
For this type of sensor, the generated electromotive force was measured under the same conditions as in Example 1, and the concentration gradient was determined. The results are shown in Table 3.

第   3   表 ()内は理論濃度勾配に対する比(%)実施例4 炭酸ガスセンサ素子Bが第4図に示したタイプのもので
あったことを除いては、実施例1と同様にして炭酸ガス
・酸素センサを製造した。
Table 3 () shows the ratio (%) to the theoretical concentration gradient.Example 4 Carbon dioxide was measured in the same manner as in Example 1, except that carbon dioxide sensor element B was of the type shown in Figure 4.・Manufactured an oxygen sensor.

第4図の炭酸ガスセンサ素子を次のようにして製造した
The carbon dioxide sensor element shown in FIG. 4 was manufactured as follows.

まず、実施例1で製造したイツトリア安定化ジルコニア
の焼結体ブロックをダイヤモンドカッターと旋盤で加工
して、直径4mm、厚み0.5+nn+のディスク8に
した。
First, the sintered block of ittria-stabilized zirconia produced in Example 1 was processed using a diamond cutter and a lathe to form a disk 8 with a diameter of 4 mm and a thickness of 0.5+nn+.

ついで、このディスクを、実施例1で製造した直径20
、長さ8じのNASIC○N円柱4の一方の端面に載せ
、全体をセラミックヒータの上で約1350℃に加熱し
て両者を融着した。このとき、円柱4の端面にはNAS
ICONの粉末を付着させて融着が進みやすいようにし
た。
Next, this disk was manufactured in Example 1 with a diameter of 20 mm.
, was placed on one end face of a NASIC○N cylinder 4 having a length of 8 cm, and the whole was heated to about 1350° C. on a ceramic heater to fuse the two together. At this time, the end face of the cylinder 4 has a NAS
ICON powder was attached to facilitate fusion.

ついで、ディスク8の端面に基準電極5とリード線5a
、円柱4の端面に検知電極6、リード線6 a、Na2
COaの膜7を実施例1と同様にして形成して炭酸ガス
センサ素子とした。
Next, a reference electrode 5 and a lead wire 5a are attached to the end surface of the disk 8.
, a detection electrode 6 and a lead wire 6a, Na2 on the end face of the cylinder 4.
A COa film 7 was formed in the same manner as in Example 1 to obtain a carbon dioxide sensor element.

このタイプのセンサにつき、実施例1の場合と同様の条
件下で発生起電力を測定し濃度勾配を求めた。その結果
を第4表に示した。
For this type of sensor, the generated electromotive force was measured under the same conditions as in Example 1, and the concentration gradient was determined. The results are shown in Table 4.

(以下余白) 第   4   表 ()内は理論濃度勾配に対する比(%)(発明の効果) 以上の説明で明らかなように、本発明の炭酸ガス・酸素
センサは、単一の発熱体から加熱することによって、酸
素センサ素子と炭酸ガスセンサ素子の作動温度を同一に
して、被検ガス中の酸素ガス濃度と炭酸ガス濃度をリア
ルタイムで測定することができる。しかも、その測定値
は、第1表から第4表で明らかなように、安定性に富み
、高精度である。また、形状も小型にすることができ、
安価に製造することも可能である。
(Margins below) Table 4: The ratio (%) to the theoretical concentration gradient (effects of the invention) As is clear from the above explanation, the carbon dioxide/oxygen sensor of the present invention can be By doing so, it is possible to make the operating temperatures of the oxygen sensor element and the carbon dioxide sensor element the same and measure the oxygen gas concentration and carbon dioxide gas concentration in the test gas in real time. Moreover, the measured values are highly stable and highly accurate, as is clear from Tables 1 to 4. In addition, the shape can be made smaller,
It is also possible to manufacture it at low cost.

したがって、この炭酸ガス・酸素センサは、たとえば、
医療関連の医療処置雰囲気の監視または制御のための機
器、バイオテクノロジー関連の実験雰囲気の監視または
制御のための機器、酸欠防止用機器、さらには、工業用
計測機器として使用することができる。
Therefore, this carbon dioxide gas/oxygen sensor, for example,
It can be used as a device for monitoring or controlling a medical treatment atmosphere in a medical field, a device for monitoring or controlling a biotechnology-related experiment atmosphere, a device for preventing oxygen deficiency, and further, an industrial measuring device.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of the drawing]

第1図は本発明の実施態様のセンサとそれを組込んだ起
電力測定系を示す構成図、第2図は用いる炭酸ガスセン
サ素子の1例を示す正面図、第3図は他の炭酸ガスセン
サ素子の例を示す正面図、第4図はさらに別の炭酸ガス
センサ素子の例を示す正面図、第5図は本発明の別の実
施態様を示すセンサ構成図、第6図はさらに別の実施態
様を示すセンサ構成図である。 1・・・0ト伝導性固体電解質、1a・・・中空部、i
b・・・内壁面、lc・・・外壁面、1d・・・開口部
(被検ガスの導入部)、le・・・開口部(被検ガスの
導出部)、2・・・電極(酸素センサ素子の検知電極)
、2a・・リード線、3・・・電極(酸素センサ素子の
基準電極)、3a・・・リード線、4・・・Na+伝導
性固体電解質、5・・・炭酸ガスセンサ素子の基準電極
、5a・・・リード線、6・・・炭酸ガスセンサ素子の
検知電極、6a・・・リード線、7・・・Na2COa
の膜、8・・・02−伝導性固体電解質のディスク、9
・・・発熱体、9a、9b・・発熱体用のリート線、l
O・・・センサセル、10a・・・開口部(被検ガスの
導入口)、10b・・・開口部(被検ガスの導出口)、
11・・・流量計、12・・・ポンプ、13・・・信号
処理回路、14・・・表示回路、15・・・温度制御回
路、16・・・電源。
Fig. 1 is a configuration diagram showing a sensor according to an embodiment of the present invention and an electromotive force measurement system incorporating the same, Fig. 2 is a front view showing an example of a carbon dioxide sensor element used, and Fig. 3 is a diagram showing another carbon dioxide sensor. FIG. 4 is a front view showing an example of the element, FIG. 4 is a front view showing another example of the carbon dioxide sensor element, FIG. 5 is a sensor configuration diagram showing another embodiment of the present invention, and FIG. 6 is still another embodiment. It is a sensor configuration diagram showing an aspect. 1...0 conductive solid electrolyte, 1a...hollow part, i
b...inner wall surface, lc...outer wall surface, 1d...opening (test gas introduction part), le...opening (test gas outlet part), 2...electrode ( (Detection electrode of oxygen sensor element)
, 2a... Lead wire, 3... Electrode (reference electrode of oxygen sensor element), 3a... Lead wire, 4... Na+ conductive solid electrolyte, 5... Reference electrode of carbon dioxide sensor element, 5a ...Lead wire, 6...Detection electrode of carbon dioxide sensor element, 6a...Lead wire, 7...Na2COa
membrane of, 8...02-disk of conductive solid electrolyte, 9
... Heating element, 9a, 9b... Riet wire for heating element, l
O...sensor cell, 10a...opening (test gas inlet), 10b...opening (test gas outlet),
DESCRIPTION OF SYMBOLS 11... Flowmeter, 12... Pump, 13... Signal processing circuit, 14... Display circuit, 15... Temperature control circuit, 16... Power supply.

Claims (1)

【特許請求の範囲】[Claims]  筒状の酸素イオン伝導性固体電解質と、該酸素イオン
伝導性固体電解質の内壁面および外壁面にそれぞれ形成
された電極とを含む酸素センサ素子;前記酸素イオン伝
導性固体電解質に内設された、ナトリウムイオン伝導性
固体電解質と、該ナトリウムイオン伝導性固体電解質の
一方の端部にそのナトリウムイオン伝導性固体電解質と
接触して形成された基準電極と、前記ナトリウムイオン
伝導性固体電解質の他方の端部にそのナトリウムイオン
伝導性固体電解質と接触または離隔して形成された検知
電極と、前記ナトリウムイオン伝導性固体電解質および
前記検知電極間を橋絡している炭酸ナトリウムとを含む
炭酸ガスセンサ素子;ならびに、前記酸素イオン伝導性
固体電解質を包囲している発熱体;を備えていることを
特徴とする炭酸ガス・酸素センサ。
An oxygen sensor element comprising a cylindrical oxygen ion conductive solid electrolyte and electrodes formed on an inner wall surface and an outer wall surface of the oxygen ion conductive solid electrolyte; installed inside the oxygen ion conductive solid electrolyte; a sodium ion conductive solid electrolyte, a reference electrode formed at one end of the sodium ion conductive solid electrolyte in contact with the sodium ion conductive solid electrolyte, and the other end of the sodium ion conductive solid electrolyte. a carbon dioxide gas sensor element comprising: a sensing electrode formed in contact with or separated from the sodium ion conductive solid electrolyte; and sodium carbonate bridging between the sodium ion conductive solid electrolyte and the sensing electrode; , a heating element surrounding the oxygen ion conductive solid electrolyte.
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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WO2021108042A1 (en) * 2019-11-27 2021-06-03 Applied Materials, Inc. Inline measurement of process gas dissociation using infrared absorption

Cited By (2)

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WO2021108042A1 (en) * 2019-11-27 2021-06-03 Applied Materials, Inc. Inline measurement of process gas dissociation using infrared absorption
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