JPH04223260A - Oxygen sensor element - Google Patents

Oxygen sensor element

Info

Publication number
JPH04223260A
JPH04223260A JP2414253A JP41425390A JPH04223260A JP H04223260 A JPH04223260 A JP H04223260A JP 2414253 A JP2414253 A JP 2414253A JP 41425390 A JP41425390 A JP 41425390A JP H04223260 A JPH04223260 A JP H04223260A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
heater
sensor element
oxygen sensor
zirconia
oxygen
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
JP2414253A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Kazuhiro Takahashi
高橋 一洋
Akira Kunimoto
晃 国元
Hiroyuki Oya
大矢 裕之
Yukio Nakanouchi
中野内 幸雄
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Riken Corp
Japan Science and Technology Agency
Original Assignee
Riken Corp
Research Development Corp of Japan
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Riken Corp, Research Development Corp of Japan filed Critical Riken Corp
Priority to JP2414253A priority Critical patent/JPH04223260A/en
Publication of JPH04223260A publication Critical patent/JPH04223260A/en
Pending legal-status Critical Current

Links

Landscapes

  • Measuring Oxygen Concentration In Cells (AREA)

Abstract

PURPOSE:To provide a limiting current type oxygen sensor element using a solid electrolyte of zirconia, of which a heater characteristic is not made unstable even when a heater voltage is made large relatively and which can conduct precise measurement of the concentration of oxygen. CONSTITUTION:A heater characteristic is made stable by forming at least a surface part of a portion wherein a heater is formed, out of a material constituted of at least one kind of ceramic constituent selected from a group comprising Al2O3, MgO, SiO2, BeO, CaO, ThO2, HfO2, TiO2, Cr2O3, Cr2C3, Be2C, TiC, ZrC, VC, NbC, HfC, TaC, SiC, TaC, SiC, B4C, Mo2C, WC, TiN, Si3N4, ZrN, HfN and AlN, or of this ceramic constituent of 50mol% or above and zirconia of 50mol% or below.

Description

【発明の詳細な説明】[Detailed description of the invention]

【0001】0001

【産業上の利用分野】本発明はジルコニア系の固体電解
質を用いた限界電流式酸素センサ素子に関し、特にヒー
タ電圧を比較的大きくしてもヒータ特性が不安定になら
ず精確な酸素濃度の計測を行うことができる酸素センサ
素子であって、一般家庭用のルームモニタから、工業用
の酸欠モニタ、酸素濃度制御用の酸素濃度検知装置等に
幅広く用いることのできる酸素センサ素子に関する。
[Industrial Application Field] The present invention relates to a limiting current type oxygen sensor element using a zirconia solid electrolyte, and in particular, the heater characteristics do not become unstable even when the heater voltage is relatively high, and the oxygen concentration can be accurately measured. The present invention relates to an oxygen sensor element that can be used in a wide range of applications, from general household room monitors to industrial oxygen deficiency monitors, oxygen concentration detection devices for oxygen concentration control, and the like.

【0002】0002

【従来の技術】従来から空気中の各種のガスの濃度を測
定するために、種々のタイプのセンサが提案され、使用
されている。特に酸素濃度は、暖房中の室内、地下設備
中、マンホール中、船倉中、サイロ中等において検知す
る必要があり、種々のタイプの酸素センサが利用されて
いる。
2. Description of the Related Art Various types of sensors have been proposed and used to measure the concentration of various gases in the air. In particular, oxygen concentration needs to be detected in a heated room, in underground equipment, in a manhole, in a ship's hold, in a silo, etc., and various types of oxygen sensors are used.

【0003】酸素センサの代表的なものとして限界電流
式酸素センサがあるが、これは、たとえば図1に示す構
造をしている。すなわち、ジルコニア系固体電解質から
なる酸素イオン伝導性基板1の両面に電極3a、3bを
設け、その陰極側(電極3a側)に内部室8を形成する
ようにスペーサ6及び封止板4を設置しており、内部室
8に通ずる微小拡散孔2を少なくとも一個以上有する構
造を持つ。図1に示す酸素センサ素子はこの微小拡散孔
2を固体電解質基板1に設けているが、この微小拡散孔
は固体電解質基板でなく封止板に設けてもよい。このタ
イプの素子の例としては、図2に示す酸素センサ素子が
挙げられる。図2の酸素センサ素子では内部室8を形成
する封止板4に微小拡散孔2が形成されている。なお、
図2に示す酸素センサ素子の各部の番号は、それぞれ図
1の酸素センサ素子の各部と対応するように付してある
A typical oxygen sensor is a limiting current type oxygen sensor, which has a structure shown in FIG. 1, for example. That is, electrodes 3a and 3b are provided on both sides of an oxygen ion conductive substrate 1 made of a zirconia solid electrolyte, and a spacer 6 and a sealing plate 4 are provided to form an internal chamber 8 on the cathode side (electrode 3a side). It has a structure having at least one micro diffusion hole 2 communicating with the internal chamber 8. Although the oxygen sensor element shown in FIG. 1 has the micro diffusion holes 2 provided in the solid electrolyte substrate 1, the micro diffusion holes may be provided in the sealing plate instead of the solid electrolyte substrate. An example of this type of device is the oxygen sensor device shown in FIG. In the oxygen sensor element shown in FIG. 2, minute diffusion holes 2 are formed in a sealing plate 4 that forms an internal chamber 8. In addition,
Each part of the oxygen sensor element shown in FIG. 2 is numbered to correspond to each part of the oxygen sensor element shown in FIG. 1, respectively.

【0004】図1及び図2に示すような限界電流式酸素
センサ素子においては、内部室8内の酸素は陰極3aに
おいて O2−にイオン化し、それがジルコニア(を主
とする)固体電解質基板1中を陽極3bに向かって移動
し、陽極で O2−が電子を放出して酸素ガスとなり、
放出電子は陽極を通って電源に戻るので、この電極間の
電流を検出することにより酸素濃度を検出することがで
きる。酸素は微小拡散孔2より素子内に吸入され、固体
電解質基板の陽極3bで排出されることになるが、この
時の吸入酸素量は微小拡散孔のサイズ等により酸素濃度
に見合った律速状態となり、電流値はある値で飽和する
。この飽和電流を限界電流と呼ぶが、その値が外部雰囲
気の酸素濃度にほぼ比例するので、限界電流を読み取る
ことにより酸素濃度が計測できる。
In the limiting current type oxygen sensor element as shown in FIGS. 1 and 2, oxygen in the internal chamber 8 is ionized into O2- at the cathode 3a, which is then ionized into O2- by the zirconia (mainly) solid electrolyte substrate 1. It moves inside towards the anode 3b, and at the anode O2- releases electrons and becomes oxygen gas.
Since the emitted electrons return to the power source through the anode, the oxygen concentration can be detected by detecting the current between the electrodes. Oxygen is sucked into the device through the minute diffusion holes 2 and exhausted at the anode 3b of the solid electrolyte substrate, but the amount of oxygen sucked in at this time is rate-limited depending on the size of the minute diffusion holes, etc., depending on the oxygen concentration. , the current value saturates at a certain value. This saturation current is called a limiting current, and since its value is approximately proportional to the oxygen concentration in the external atmosphere, the oxygen concentration can be measured by reading the limiting current.

【0005】ところでジルコニアの酸素イオン伝導率は
高温になるほど大きくなるので、通常酸素センサは 3
50〜450 ℃に加熱して使われる。そのため酸素セ
ンサ素子にはヒータが取りつけられるが、一般には、図
1及び図2に示すように封止板4上にヒータ5が形成さ
れている。このヒータは厚膜法又は薄膜法等により封止
板等の表面に形成される。なお、図1及び図2の酸素セ
ンサ素子においては、ヒータ5は封止板4上を蛇行して
いるので、断面図である図1及び図2上では分断された
状態で示されている。
By the way, the oxygen ion conductivity of zirconia increases as the temperature increases, so oxygen sensors usually have a
It is used after being heated to 50-450°C. Therefore, a heater is attached to the oxygen sensor element, and generally a heater 5 is formed on the sealing plate 4 as shown in FIGS. 1 and 2. This heater is formed on the surface of the sealing plate or the like by a thick film method or a thin film method. In the oxygen sensor element shown in FIGS. 1 and 2, the heater 5 meanders over the sealing plate 4, so it is shown in a separated state in the cross-sectional views of FIGS. 1 and 2.

【0006】[0006]

【発明が解決しようとする課題】このように、酸素セン
サ素子ではヒータを用いて作動温度を400 ℃程度に
上昇させているので、内部室の気密性を保つために(微
小拡散孔以外の部分からの酸素の出入りを防止するため
に)、固体電解質基板と同等の熱膨張率を有する材料か
ら封止板等を形成するのが一般的である。すなわち、従
来の酸素センサ素子においては封止板としてジルコニア
系の材料を用い、その上にヒータを形成していた。
[Problems to be Solved by the Invention] As described above, since the oxygen sensor element uses a heater to raise the operating temperature to about 400°C, in order to maintain the airtightness of the internal chamber ( In order to prevent oxygen from entering and leaving the solid electrolyte substrate), it is common to form the sealing plate etc. from a material having a coefficient of thermal expansion equivalent to that of the solid electrolyte substrate. That is, in the conventional oxygen sensor element, a zirconia-based material is used as the sealing plate, and a heater is formed thereon.

【0007】しかしながら、このような構成の酸素セン
サ素子においては、ヒータ電圧をたとえば2.5 ボル
ト以上の比較的高い電圧とすると、ヒータ特性が不安定
になり、これにより酸素センサ素子の精度も低下し、正
確な測定ができなかった。これは、ジルコニア系の基板
(封止板)に設けたヒータに高い電圧を印加すると、ヒ
ータが接触している部分のジルコニアが分解して基板の
表面に金属ジルコニウムが析出し、このためヒータ特性
が不安定になるためと思われる。
However, in an oxygen sensor element having such a configuration, if the heater voltage is set to a relatively high voltage of, for example, 2.5 volts or more, the heater characteristics become unstable, and the accuracy of the oxygen sensor element also decreases. However, accurate measurements could not be made. This is because when a high voltage is applied to a heater installed on a zirconia-based substrate (sealing plate), the zirconia in the area in contact with the heater decomposes and metal zirconium precipitates on the surface of the substrate, which causes the heater characteristics to deteriorate. This seems to be because it becomes unstable.

【0008】そこで、ヒータ電圧を低く抑え、電流を増
して所要の発熱量を得ることが考えられるが、この方法
では電流容量の大きな電源が必要となり、センサ駆動回
路の消費電力も大きくなるという問題がある。
[0008] Therefore, it is possible to obtain the required amount of heat by keeping the heater voltage low and increasing the current, but this method requires a power supply with a large current capacity, and the problem is that the power consumption of the sensor drive circuit also increases. There is.

【0009】従って、本発明の目的は、上記の不都合を
解消し、高電圧、低電流で作動し、安定して精確な値を
得ることのできる酸素センサ素子を提供することである
[0009] Accordingly, an object of the present invention is to provide an oxygen sensor element which can eliminate the above-mentioned disadvantages, operate at high voltage and low current, and obtain stable and accurate values.

【0010】0010

【課題を解決するための手段】上記目的に鑑み鋭意研究
の結果、本発明者は、酸素センサ素子のヒータが形成さ
れる部位の少なくとも表面部分を、酸素センサ素子の作
動温度領域において固体電解質基板と同等の熱膨張率を
有し、かつ、高電圧の印加に対して安定で、耐熱性が良
好なセラミック材料により形成すれば、2.5 ボルト
以上の高電圧を印加してもジルコニアの変質によるヒー
タ特性の変化の影響が排除され、もって低消費電力で精
確な計測ができる酸素センサ素子とすることができるこ
とを発見し、本発明に想到した。
[Means for Solving the Problems] As a result of intensive research in view of the above object, the present inventors have determined that at least the surface portion of the portion where the heater of the oxygen sensor element is formed is formed on a solid electrolyte substrate in the operating temperature range of the oxygen sensor element. If it is made of a ceramic material that has a coefficient of thermal expansion equivalent to The present inventors have discovered that the influence of changes in heater characteristics due to oxidation can be eliminated, thereby making it possible to provide an oxygen sensor element that can perform accurate measurements with low power consumption, and has conceived the present invention.

【0011】すなわち、本発明の限界電流式酸素センサ
素子は、ジルコニア系固体電解質からなる酸素イオン伝
導性基板と、前記基板の両面上に設けられた陽極及び陰
極と、前記陰極側に設けられた内部室と、前記内部室に
連通する微小拡散孔とを有するもので、前記センサ素子
を作動温度に加熱保持するために設けたヒータの形成部
位の少なくとも表面部が、Al2 O 3 、MgO 
、SiO 2 、BeO 、CaO 、ThO 2、H
fO 2 、TiO 2 、Cr2 O 3 、Cr2
 C 3 、Be2 C 、TiC 、ZrC 、VC
、NbC 、HfC 、TaC 、SiC 、B 4 
C 、Mo2 C 、WC、TiN 、Si3 N 4
 、ZrN 、HfN 、AlNからなる群から選ばれ
た少なくとも1種からなるセラミック成分、又はこのセ
ラミック成分を50モル%以上とし、ジルコニアを50
モル%以下含有する材料からなることを特徴とする。
That is, the limiting current type oxygen sensor element of the present invention includes an oxygen ion conductive substrate made of a zirconia-based solid electrolyte, an anode and a cathode provided on both surfaces of the substrate, and an anode and a cathode provided on the cathode side. It has an internal chamber and a minute diffusion hole that communicates with the internal chamber, and at least the surface portion of the heater provided to heat and maintain the sensor element at an operating temperature is made of Al2O3, MgO.
, SiO 2 , BeO , CaO , ThO 2 , H
fO2, TiO2, Cr2O3, Cr2
C3, Be2C, TiC, ZrC, VC
, NbC, HfC, TaC, SiC, B4
C, Mo2C, WC, TiN, Si3N4
, ZrN, HfN, and AlN, or this ceramic component is 50 mol% or more, and zirconia is 50 mol% or more.
It is characterized by being made of a material containing mol % or less.

【0012】0012

【実施例】以下、本発明を添付図面を参照して詳細に説
明する。図1は本発明の一実施例による酸素センサ素子
を示す概略断面図である。この酸素センサ素子は、ジル
コニア系の固体電解質基板1と、その両面に形成された
電極3a、3bと、電極3aの形成面側に内部室8を形
成するように配置されたスペーサ6と、封止板4とを有
する。また、封止板4の一方の面(内部室の反対側の面
)にはこの酸素センサ素子を作動温度まで加熱するため
のヒータ5が形成されている。このように本発明の酸素
センサ素子はその組立構造においては従来の酸素センサ
素子と同様であるが、後述するように、酸素センサ素子
を作動温度まで加熱保持するためのヒータ形成部におい
てその材質が特定のものに限定されている点に特徴があ
る。
DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS The present invention will now be described in detail with reference to the accompanying drawings. FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing an oxygen sensor element according to an embodiment of the present invention. This oxygen sensor element includes a zirconia-based solid electrolyte substrate 1, electrodes 3a and 3b formed on both sides thereof, a spacer 6 arranged to form an internal chamber 8 on the side where the electrode 3a is formed, and a seal. It has a stop plate 4. Further, a heater 5 for heating the oxygen sensor element to an operating temperature is formed on one surface of the sealing plate 4 (the surface opposite to the internal chamber). As described above, the oxygen sensor element of the present invention is similar to the conventional oxygen sensor element in its assembly structure, but as will be described later, the material used in the heater forming part for heating and maintaining the oxygen sensor element to the operating temperature is different. It is characterized by being limited to specific things.

【0013】固体電解質基板1としては、ジルコニアに
安定化剤としてイットリア、カルシア、セリア等の少な
くとも1種を固溶させたものを用いるのがよい。
As the solid electrolyte substrate 1, it is preferable to use zirconia in which at least one stabilizer such as yttria, calcia, ceria, etc. is dissolved.

【0014】本実施例の酸素センサ素子においては、固
体電解質基板1に微小拡散孔2が形成されている。この
微小拡散孔2には酸素ガスが拡散するが、拡散速度は一
般に孔径に比例する。そこで細孔内拡散律速となるよう
に孔径を決める。その孔の断面積Sと長さLとの比S/
Lは、0.2 〜0.9 μmとするのがよい。
In the oxygen sensor element of this embodiment, minute diffusion holes 2 are formed in a solid electrolyte substrate 1. Oxygen gas diffuses into the minute diffusion holes 2, and the diffusion rate is generally proportional to the hole diameter. Therefore, the pore diameter is determined so that the rate of diffusion within the pores becomes rate-determining. The ratio of the cross-sectional area S to the length L of the hole S/
L is preferably 0.2 to 0.9 μm.

【0015】基板1の両側に形成された電極3a、3b
は多孔質物質からなる。電極3a、3bは触媒活性化電
極として機能するため、Pt、Pd、Ag、Rh、In
等の金属材料、もしくはこれらの合金材料、又は、シン
タリングを防止するためにこれらの金属材料のうちの少
なくとも1種と、ジルコニアや窒化硼素等の難焼結材と
の混合物を用いるのが好ましい。特にPt、又はPtと
ジルコニアの混合物を用いるのが好ましい。なお、内部
室8内に形成される電極3aが負極となる。
Electrodes 3a and 3b formed on both sides of the substrate 1
is made of porous material. Since the electrodes 3a and 3b function as catalyst activation electrodes, Pt, Pd, Ag, Rh, In
It is preferable to use metal materials such as, alloy materials thereof, or a mixture of at least one of these metal materials and a difficult-to-sinter material such as zirconia or boron nitride to prevent sintering. . In particular, it is preferable to use Pt or a mixture of Pt and zirconia. Note that the electrode 3a formed within the internal chamber 8 serves as a negative electrode.

【0016】負極である電極3aは上述の通り内部室8
内に設置される構造となるが、この内部室8は、上述の
固体電解質基板1と、スペーサ6と、封止板4とによっ
て規定される。このスペーサ6としては、固体電解質基
板1と同程度の熱膨張率を有する無機物質(ガラス質等
の封着材)を用いるのがよい。
The electrode 3a, which is a negative electrode, is connected to the internal chamber 8 as described above.
This internal chamber 8 is defined by the solid electrolyte substrate 1, the spacer 6, and the sealing plate 4 described above. As this spacer 6, it is preferable to use an inorganic substance (sealing material such as glass) having a coefficient of thermal expansion comparable to that of the solid electrolyte substrate 1.

【0017】本実施例の酸素センサ素子では、封止板4
がヒータ5の形成基板となっているが、このヒータの形
成部分となる封止板4の少なくとも表面部(ヒータが接
触する部分)は特定の酸化物セラミックス、炭化物セラ
ミックス又は窒化物セラミックスを主成分とした物質か
らなる。そのような酸化物セラミックスとしては、Al
2 O 3 、MgO 、SiO 2 、BeO 、C
aO 、ThO 2 、HfO 2 、TiO 2 、
Cr2 O 3 等が挙げられる。また炭化物セラミッ
クスとしては、Cr2 C 3 、Be2 C 、Ti
C 、ZrC 、VC、NbC 、HfC 、TaC 
、SiC 、B 4 C 、Mo2 C 、WC等が挙
げられる。さらに窒化物セラミックスとしては、TiN
 、Si3 N 4 、ZrN 、HfN 、AlN 
等が挙げられる。好ましいセラミックスとしては、工業
的に入手しやすく、かつ比較的に強度の高いAl2 O
 3 、MgO 、SiO 2 等が挙げられる。
In the oxygen sensor element of this embodiment, the sealing plate 4
serves as a substrate for forming the heater 5, and at least the surface portion (the portion in contact with the heater) of the sealing plate 4, which is the forming portion of the heater, is mainly composed of a specific oxide ceramic, carbide ceramic, or nitride ceramic. It consists of a substance. Such oxide ceramics include Al
2O3, MgO, SiO2, BeO, C
aO, ThO2, HfO2, TiO2,
Examples include Cr2O3. In addition, carbide ceramics include Cr2C3, Be2C, Ti
C, ZrC, VC, NbC, HfC, TaC
, SiC, B4C, Mo2C, WC, and the like. Furthermore, as nitride ceramics, TiN
, Si3N4, ZrN, HfN, AlN
etc. Preferred ceramics include Al2O, which is industrially easily available and has relatively high strength.
3, MgO, SiO2, etc.

【0018】本発明では、上述のセラミックス、又はこ
れらを主成分(50モル%以上)とし、ジルコニアを5
0モル%以下含有するセラミックス上にヒータを形成す
る。 図1に示す酸素センサ素子においては、封止板4全体を
上述のセラミックス、又はこれらを主成分とし、ジルコ
ニアを50モル%以下含有するセラミックスにより構成
してもよく、また、封止板4のヒータ形成面側にまず、
上述の材料(ジルコニアを50モル%以下含有するセラ
ミックスを含む)からなる薄いセラミック層を形成して
おき、その上にヒータを形成する構成としてよい。
[0018] In the present invention, the above-mentioned ceramics or these are used as main components (50 mol% or more), and zirconia is
A heater is formed on ceramics containing 0 mol% or less. In the oxygen sensor element shown in FIG. First, on the heater forming side,
A configuration may be employed in which a thin ceramic layer made of the above-mentioned material (including ceramics containing 50 mol % or less of zirconia) is formed, and the heater is formed on the thin ceramic layer.

【0019】上述したセラミックス、又はそれとジルコ
ニアとの混合体あるいは固溶体等は、酸素センサ素子の
作動温度(350 〜400 ℃程度) においてジル
コニア系の固体電解質基板と同程度あるいはそれより多
少小さな熱膨張率を有し、加熱による素子の歪みを生じ
ない。そのために内部室の気密性は良好に保持される。
The above-mentioned ceramic, or a mixture or solid solution of it and zirconia, has a coefficient of thermal expansion that is the same as or slightly smaller than that of the zirconia-based solid electrolyte substrate at the operating temperature of the oxygen sensor element (approximately 350 to 400°C). , and does not cause distortion of the element due to heating. Therefore, the airtightness of the internal chamber is maintained well.

【0020】また、上述の各セラミックスがヒータの形
成基板表面を覆っていると、ヒータにたとえば2.5 
ボルト以上の高電圧を印加した場合でも、ジルコニアの
変質によるヒータ特性の変化の影響が排除されて、素子
温度は一定に保たれ、もって良好な酸素濃度の計測を行
うことができる。上記各セラミックスにジルコニアを含
有させたものをヒータの形成部位に用いる場合には、上
述の通りジルコニアの含有量を50モル%以下にする必
要がある。ジルコニアの含有量が50モル%を超えると
、ヒータに2.5 ボルト以上の高電圧を印加した場合
に、ジルコニアが変質してヒータ特性が変化してしまい
、好ましくない。
Furthermore, if each of the above-mentioned ceramics covers the surface of the substrate on which the heater is formed, the heater
Even when a high voltage of volts or higher is applied, the influence of changes in heater characteristics due to deterioration of zirconia is eliminated, the element temperature is kept constant, and good oxygen concentration measurement can be performed. When each of the above-mentioned ceramics containing zirconia is used for the heater forming portion, the zirconia content must be 50 mol % or less as described above. If the zirconia content exceeds 50 mol%, the zirconia will deteriorate and the heater characteristics will change when a high voltage of 2.5 volts or more is applied to the heater, which is not preferable.

【0021】ヒータとしては、基板上(または本実施例
のように封止板上)に面状または線状に発熱体を形成し
てなるものであり、白金ペーストを用いたスクリーン印
刷やフォトリソグラフィー等の方法で形成することがで
きる。
[0021] The heater is one in which a heating element is formed in a planar or linear form on a substrate (or on a sealing plate as in this embodiment), and is formed by screen printing using platinum paste or photolithography. It can be formed by the following methods.

【0022】なお、ヒータ5及び電極3a、3bに接続
するリード線7としては白金線等を用いることができる
Note that platinum wire or the like can be used as the lead wire 7 connected to the heater 5 and the electrodes 3a, 3b.

【0023】図2は本発明のもう一つの実施例による酸
素センサ素子を示す概略断面図である。この実施例では
内部室8を比較的大きく形成しており、封止板4の端部
が曲がっており、スペーサを兼ねた構造となっている。 また固体電解質基板1ではなく、封止板4に微小拡散孔
2が形成されている。その他は実質的に図1に示す酸素
センサ素子と同様の構造となっている。
FIG. 2 is a schematic cross-sectional view showing an oxygen sensor element according to another embodiment of the present invention. In this embodiment, the internal chamber 8 is formed relatively large, and the end portion of the sealing plate 4 is bent to have a structure that also serves as a spacer. Further, the micro diffusion holes 2 are formed not in the solid electrolyte substrate 1 but in the sealing plate 4. The rest of the structure is substantially the same as that of the oxygen sensor element shown in FIG.

【0024】この実施例では、封止板4を上述した酸化
物セラミックス、炭化物セラミックス、窒化物セラミッ
クス、又はそれらとジルコニアとの固溶体とで形成して
いる。
In this embodiment, the sealing plate 4 is formed of the above-mentioned oxide ceramics, carbide ceramics, nitride ceramics, or a solid solution of these and zirconia.

【0025】以下の具体的実施例により、本発明をさら
に詳細に説明する。実施例1 第1図に示す構造の酸素センサ素子を作成した。固体電
解質基板1としてジルコニアに安定化材としてイットリ
アを8モル%固溶したものを用いた。この固体電解質基
板1の成形では開気孔がないにように十分に緻密な板状
にし、板厚を0.2mm とした。
The present invention will be explained in more detail by the following specific examples. Example 1 An oxygen sensor element having the structure shown in FIG. 1 was produced. As the solid electrolyte substrate 1, 8 mol% of yttria as a stabilizing material was dissolved in zirconia as a solid solution. The solid electrolyte substrate 1 was molded into a sufficiently dense plate with no open pores, and the plate thickness was 0.2 mm.

【0026】微小拡散孔2は固体電解質基板1のほぼ中
心部に厚み方向に軸線を有するように形成した。孔径は
約10μmとした。
The micro diffusion holes 2 were formed approximately at the center of the solid electrolyte substrate 1 so as to have an axis in the thickness direction. The pore diameter was approximately 10 μm.

【0027】電極3a、3bは、白金粉末に有機バイン
ダーと有機溶剤とを添加してなる導電ペーストを塗布し
、これを焼成することで形成した。なお、このペースト
の塗布は固体電解質基板1 の外周部約1mm幅を除く
部分に行った。また、電極3a、3bに接続するリード
線部を電極3a、3bと同様にして形成した。
The electrodes 3a and 3b were formed by applying a conductive paste made by adding an organic binder and an organic solvent to platinum powder and firing the paste. The paste was applied to the solid electrolyte substrate 1 except for about 1 mm width at the outer periphery. Further, lead wire portions connected to the electrodes 3a and 3b were formed in the same manner as the electrodes 3a and 3b.

【0028】封止板4としては厚さ0.2 mmのアル
ミナ/ジルコニア板を用いた。このアルミナ/ジルコニ
ア板の作成は、アルミナ粉とジルコニア粉とをモル比で
9:1となるように混合して成形し、これを焼成するこ
とで得た。
As the sealing plate 4, an alumina/zirconia plate with a thickness of 0.2 mm was used. This alumina/zirconia plate was produced by mixing alumina powder and zirconia powder at a molar ratio of 9:1, molding the mixture, and firing the mixture.

【0029】得られた封止板4の片面に、薄膜法により
その抵抗値を35オームに制御した白金からなるヒータ
5を形成した。ヒータは封止板4上に蛇行するように形
成した。このヒータ5にも、上述の導電ペーストを用い
てリード線部を接続した。
A heater 5 made of platinum whose resistance value was controlled to 35 ohms was formed on one side of the obtained sealing plate 4 by a thin film method. The heater was formed in a meandering manner on the sealing plate 4. A lead wire portion was also connected to this heater 5 using the above-mentioned conductive paste.

【0030】このようにして作成された酸素センサ素子
を用いて、以下の要領で酸素ガスの検知を行った。まず
、ヒータ5には9ボルトの直流電圧を印加し、素子温度
を400 ℃に保った。この時のヒータに流れる電流値
は約125mA であった。この状態で電極3a、3b
間に1.4 ボルトの直流電圧を印加し、大気中の酸素
濃度の測定を行った。
Using the oxygen sensor element thus prepared, oxygen gas was detected in the following manner. First, a DC voltage of 9 volts was applied to the heater 5 to maintain the element temperature at 400°C. The current value flowing through the heater at this time was approximately 125 mA. In this state, electrodes 3a and 3b
A DC voltage of 1.4 volts was applied between the two, and the oxygen concentration in the atmosphere was measured.

【0031】以上の測定を長時間(200 時間)行っ
てもこの酸素センサ素子の作動温度は変化せず、良好な
ヒータ安定性を示していた。したがって、両電極間に流
れる限界電流量に変化は生ぜず、良好な酸素ガス濃度検
知を行うことができた。
Even when the above measurements were carried out for a long time (200 hours), the operating temperature of this oxygen sensor element did not change, indicating good heater stability. Therefore, there was no change in the limiting amount of current flowing between the two electrodes, and it was possible to perform good oxygen gas concentration detection.

【0032】実施例2、3 ヒータ5を形成する封止板4の材料を以下のものとする
以外は、実施例1と同様にしてそれぞれ酸素センサ素子
を作成した。実施例2:封止板4におけるアルミナとジ
ルコニアとの比率をモル比で7:3とした。実施例3:
封止板4におけるアルミナとジルコニアとの比率をモル
比で5:5とした。
Examples 2 and 3 Oxygen sensor elements were produced in the same manner as in Example 1, except that the sealing plate 4 forming the heater 5 was made of the following material. Example 2: The molar ratio of alumina and zirconia in the sealing plate 4 was set to 7:3. Example 3:
The molar ratio of alumina and zirconia in the sealing plate 4 was set to 5:5.

【0033】以上の酸素センサ素子を用い、実施例1と
同様にして酸素ガスの検知を行ったところ、実施例2の
酸素センサ素子ではヒータの安定性が良好で素子を一定
温度に保つことができ、もって確実な酸素ガス検知を行
うことができた。また、実施例3の酸素センサ素子では
、ヒータの安定性がやや不安定ではあったが、ほぼ一定
の作動温度に素子を保つことができた。
When oxygen gas was detected using the above oxygen sensor element in the same manner as in Example 1, it was found that in the oxygen sensor element of Example 2, the heater stability was good and the element could be kept at a constant temperature. This enabled reliable oxygen gas detection. Further, in the oxygen sensor element of Example 3, although the stability of the heater was somewhat unstable, the element could be maintained at a substantially constant operating temperature.

【0034】比較例1 ヒータ5を形成する封止板4の材料を以下とする以外は
、実施例1と同様にして酸素センサ素子を作成した。 比較例1:封止板4におけるアルミナとジルコニアとの
比率をモル比で3:7とした。
Comparative Example 1 An oxygen sensor element was produced in the same manner as in Example 1, except that the sealing plate 4 forming the heater 5 was made of the following material. Comparative Example 1: The molar ratio of alumina and zirconia in the sealing plate 4 was 3:7.

【0035】以上の酸素センサ素子を用い、実施例1と
同様にして酸素ガスの検知をおこなったところ、ヒータ
の安定性が悪くて素子を一定の温度に保つことができず
、良好な酸素ガス検知が行えなかった。
When oxygen gas was detected using the above oxygen sensor element in the same manner as in Example 1, the heater was unstable and the element could not be kept at a constant temperature. Detection could not be performed.

【0036】[0036]

【発明の効果】以上説明した通り、本発明の酸素センサ
素子は、ヒータの安定性が良好であり、素子作動温度は
一定しており、もって精度よく酸素の検出ができる。
As explained above, in the oxygen sensor element of the present invention, the heater has good stability, the element operating temperature is constant, and oxygen can be detected with high accuracy.

【0037】また、本発明の酸素センサ素子のヒータに
は2.5 ボルト以上の比較的高い電圧を印加すること
ができ、もってヒータ電流を小さく抑えることができる
。従来のジルコニア系材料をヒータ基板に用いた限界電
流式酸素センサにおいては、ヒータ電圧は安全性をみて
高々2.3 ボルト程度としており、そのためにヒータ
電流は500mA 程度となっていた。一方、本発明の
酸素センサ素子においてはこのヒータ電流を125mA
 程度と、約1/4 以下の電流値で作動可能となる。
Furthermore, a relatively high voltage of 2.5 volts or more can be applied to the heater of the oxygen sensor element of the present invention, thereby making it possible to keep the heater current low. In a conventional limiting current type oxygen sensor using a zirconia material for the heater substrate, the heater voltage is set to about 2.3 volts at most for safety reasons, and therefore the heater current is about 500 mA. On the other hand, in the oxygen sensor element of the present invention, this heater current is 125 mA.
It is possible to operate with a current value of about 1/4 or less.

【0038】本発明の酸素センサ素子によると、電力消
費量が低減でき、また素子自体が長寿命となる。このよ
うな酸素センサ素子は、一般家庭用のルームモニタから
、工業用の酸欠モニタ、酸素濃度制御用の酸素濃度検知
装置等に幅広く用いることができる。
According to the oxygen sensor element of the present invention, power consumption can be reduced and the life of the element itself can be extended. Such an oxygen sensor element can be used in a wide range of applications, from general household room monitors to industrial oxygen deficiency monitors, oxygen concentration detection devices for oxygen concentration control, and the like.

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

【図1】本発明の一実施例による酸素センサ素子を示す
概略断面図である。
FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing an oxygen sensor element according to an embodiment of the present invention.

【図2】本発明のもう一つの実施例による酸素センサ素
子を示す概略断面図である。
FIG. 2 is a schematic cross-sectional view showing an oxygen sensor element according to another embodiment of the present invention.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1        固体電解質基板 2        微小拡散孔 3a、3b  電極 4        封止板 5        ヒータ 6        スペーサ 7        リード線 8        内部室 1 Solid electrolyte substrate 2. Micro diffusion pores 3a, 3b electrode 4 Sealing plate 5 Heater 6 Spacer 7 Lead wire 8       Inner room

Claims (2)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】  ジルコニア系固体電解質からなる酸素
イオン伝導性基板と、前記基板の両面上に設けられた陽
極及び陰極と、前記陰極側に設けられた内部室と、前記
内部室に連通する微小拡散孔とを有する限界電流式酸素
センサ素子において、前記センサ素子を作動温度に加熱
保持するために設けたヒータの形成部位の少なくとも表
面部が、Al2 O 3 、MgO 、SiO 2 、
BeO 、CaO 、ThO 2 、HfO 2 、T
iO 2 、Cr2 O 3 、Cr2 C 3 、B
e2 C 、TiC 、ZrC 、VC、NbC 、H
fC 、TaC 、SiC 、B 4 C 、Mo2 
C 、Mo2 C 、WC、TiN 、Si3 N 4
 、ZrN 、HfN 、AlN からなる群から選ば
れた少なくとも1種からなるセラミック成分、又はこの
セラミック成分50モル%以上とジルコニア50モル%
以下とからなる材料により形成されていることを特徴と
する酸素センサ素子。
1. An oxygen ion conductive substrate made of a zirconia-based solid electrolyte, an anode and a cathode provided on both sides of the substrate, an internal chamber provided on the cathode side, and a microelectrode that communicates with the internal chamber. In a limiting current type oxygen sensor element having a diffusion hole, at least the surface portion of a forming part of a heater provided to heat and maintain the sensor element at an operating temperature is made of Al2O3, MgO, SiO2,
BeO , CaO , ThO 2 , HfO 2 , T
iO 2 , Cr2 O 3 , Cr2 C 3 , B
e2C, TiC, ZrC, VC, NbC, H
fC, TaC, SiC, B4C, Mo2
C, Mo2C, WC, TiN, Si3N4
, ZrN, HfN, AlN, or 50 mol% or more of this ceramic component and 50 mol% of zirconia.
An oxygen sensor element characterized by being formed of a material consisting of the following:
【請求項2】  請求項1に記載の酸素センサ素子にお
いて、前記ヒータは、前記内部室を形成する封止板上に
設けられていることを特徴とする酸素センサ素子。
2. The oxygen sensor element according to claim 1, wherein the heater is provided on a sealing plate that forms the internal chamber.
JP2414253A 1990-12-26 1990-12-26 Oxygen sensor element Pending JPH04223260A (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2414253A JPH04223260A (en) 1990-12-26 1990-12-26 Oxygen sensor element

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2414253A JPH04223260A (en) 1990-12-26 1990-12-26 Oxygen sensor element

Publications (1)

Publication Number Publication Date
JPH04223260A true JPH04223260A (en) 1992-08-13

Family

ID=18522752

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2414253A Pending JPH04223260A (en) 1990-12-26 1990-12-26 Oxygen sensor element

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JPH04223260A (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20100047448A1 (en) * 2006-12-25 2010-02-25 Tokyo Electron Limited Film forming apparatus and method

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20100047448A1 (en) * 2006-12-25 2010-02-25 Tokyo Electron Limited Film forming apparatus and method
US8328943B2 (en) * 2006-12-25 2012-12-11 Tokyo Electron Limited Film forming apparatus and method

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US4859307A (en) Electrochemical gas sensor, and method for manufacturing the same
US4559126A (en) Electrochemical device
US4500412A (en) Oxygen sensor with heater
JPH0437944B2 (en)
EP1635171B1 (en) Hydrocarbon sensor
JPS63738B2 (en)
EP1224454A2 (en) Gas sensor design and method for using the same
JP2868913B2 (en) Solid electrolyte gas sensor
US4832818A (en) Air/fuel ratio sensor
JPH04223260A (en) Oxygen sensor element
JPH04504170A (en) Sensor element for limiting current sensors for measuring the λ value of gas mixtures
JP2851632B2 (en) Electrochemical element
JPS62179653A (en) Threshold current type oxygen sensor
JP2805811B2 (en) Combustion control sensor
JP2612584B2 (en) Manufacturing method of oxygen detection element
JPH0353578B2 (en)
JP4009017B2 (en) Nitrogen oxide sensor
JP2593823Y2 (en) Gas detector
JP3565520B2 (en) Oxygen concentration sensor
KR980010415A (en) Air-fuel ratio sensor
JP3865498B2 (en) Limit current type oxygen sensor and oxygen detection method
JPH03120456A (en) Oxygen sensor
KR100486695B1 (en) Air/fuel ratio sensor
JP2812524B2 (en) Oxygen sensor
JPH04299247A (en) Gas detection element