JPH05312768A - Oxigen sensor - Google Patents

Oxigen sensor

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JPH05312768A
JPH05312768A JP4120862A JP12086292A JPH05312768A JP H05312768 A JPH05312768 A JP H05312768A JP 4120862 A JP4120862 A JP 4120862A JP 12086292 A JP12086292 A JP 12086292A JP H05312768 A JPH05312768 A JP H05312768A
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JP
Japan
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oxygen
electrode
inorganic material
oxygen sensor
electrodes
Prior art date
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Application number
JP4120862A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Takafumi Kajima
孝文 鹿嶋
Katsuaki Nakamura
克明 中村
Atsunari Ishibashi
功成 石橋
Yoshinori Kato
嘉則 加藤
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.)
Fujikura Ltd
Original Assignee
Fujikura Ltd
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Publication date
Application filed by Fujikura Ltd filed Critical Fujikura Ltd
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Publication of JPH05312768A publication Critical patent/JPH05312768A/en
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Abstract

PURPOSE:To simplyfy production process and reduce the production cost by suppressing the dispersion of limiting current characteristic to the utmost and unnecessitating any electrode preparation through separate processes for both surfaces of ion conductor. CONSTITUTION:An oxigen sensor is provided with at least one pair of electrodes 43 and 44 on one surface of an ion conductor 34 and a covered layer 45 on a negative electrode 44 at least, and the portion 45a of the layer 45 locating upward on the electrode is made of inorganic material that can pass through oxigen, while the portion 45b of the layer 45 is made of airtightening metallic material with a proper matching property for inorganic material. When the electrodes are applied with a specified voltage, the oxigen put into the ion conductor will flow in the ion conductor through oxigen pumping action, so that oxigen concentration of sample gas can be measured by measuring the current value because the oxigen ion is used as a carrier. The inorganic material is formed by anode-oxidizing the portion locating upward on the electrode of metallic layer covering the electrode.

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、地下室等における酸欠
事故防止、エンジンやボイラー等の燃焼管理等に用いて
好適な限界電流式の酸素センサに関するものである。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a limiting current type oxygen sensor which is suitable for use in preventing oxygen deficiency accidents in basements and in combustion management of engines and boilers.

【0002】[0002]

【従来の技術】従来、安定化ジルコニアをイオン導電体
として用いた限界電流式の酸素センサが提案され実用化
されている。この酸素センサは、純粋なジルコニア(Z
rO2)に添加物としてイットリア(Y23)、マグネ
シア(MgO)、カルシア(CaO)等の酸化物を数m
ol%程度固溶させて低温までホタル石型立方晶を保持
させた安定化ジルコニアをイオン導電体として用いたも
のであって、広範囲の酸素分圧の検知が可能、応答速度
が速い、起電力が安定、高温雰囲気中で使用可能等の様
々な特徴があるために、地下室等の密室における酸欠事
故防止、溶鋼中の酸素濃度測定、エンジンやボイラー等
の燃焼管理、公害計測用等様々な目的に適合したセンサ
である。
2. Description of the Related Art Conventionally, a limiting current type oxygen sensor using stabilized zirconia as an ionic conductor has been proposed and put into practical use. This oxygen sensor uses pure zirconia (Z
An oxide such as yttria (Y 2 O 3 ), magnesia (MgO) or calcia (CaO) is added to the rO 2 ) as an additive for several meters.
Stabilized zirconia, which is a solid solution of about ol% and retains a fluorite type cubic crystal at low temperature, is used as an ion conductor. It can detect a wide range of oxygen partial pressure, has a fast response speed, and has an electromotive force. Since it has various characteristics such as stable and usable in high temperature atmosphere, it prevents various oxygen deficiency accidents in a closed room such as a basement, measures oxygen concentration in molten steel, combustion control of engine and boiler, pollution measurement, etc. It is a sensor that is suitable for the purpose.

【0003】上記酸素センサとしては、例えば、図8に
示す様な厚膜型構造の酸素センサが知られている。この
酸素センサ1は安定化ジルコニア(例えば、ZrO2
8mol%Y23)等のイオン導電性を有する薄厚の固
体電解質からなるイオン導電体2と、このイオン導電体
2の両面にそれぞれ形成され一定のセンサ監視電圧が印
加される多孔質の白金の電極3,4と、イオン導電体2
の電極3側に結晶化ガラス5,5により接合され、か
つ、中央部に上下に貫通する気体拡散孔6が形成された
セラミックキャップ7と、該セラミックキャップ7の上
面に形成された加熱用ヒーター8とから概略構成されて
いる。なお、前記セラミックキャップ7は、極めて酸素
通過性のよい無機多孔質体、例えば多孔質アルミナ等に
置き換えてもよい。そして、前記酸素センサ1では、ヒ
ーター8に所定の電圧を印加し、かつ両電極3,4間に
所定の電圧を印加した状態にしておくと、気体拡散孔6
を通してイオン導電体2中に取り込まれた試料ガス中の
酸素が酸素ポンピング作用により該イオン導電体2中を
イオンとなって流れ、この酸素イオンをキャリアとする
電流値から前記試料ガス中の酸素濃度が測定される。
As the oxygen sensor, for example, an oxygen sensor having a thick film structure as shown in FIG. 8 is known. This oxygen sensor 1 is formed on both surfaces of an ionic conductor 2 made of a thin solid electrolyte having ionic conductivity such as stabilized zirconia (eg, ZrO 2 -8 mol% Y 2 O 3 ). And the porous platinum electrodes 3 and 4 to which a constant sensor monitoring voltage is applied, and the ionic conductor 2.
A ceramic cap 7 which is bonded to the electrode 3 side by crystallized glass 5, 5 and has a gas diffusion hole 6 vertically penetrating in the central portion, and a heater for heating formed on the upper surface of the ceramic cap 7. 8 is generally configured. The ceramic cap 7 may be replaced with an inorganic porous material having extremely high oxygen permeability, such as porous alumina. In the oxygen sensor 1, when a predetermined voltage is applied to the heater 8 and a predetermined voltage is applied between the electrodes 3 and 4, the gas diffusion hole 6 is formed.
Oxygen in the sample gas taken into the ionic conductor 2 through the ionic conductor 2 flows as ions in the ionic conductor 2 by the oxygen pumping action, and the oxygen concentration in the sample gas is determined from the current value using the oxygen ions as carriers. Is measured.

【0004】また、図9に示す酸素センサ11の様に、
セラミックキャップ7に気体拡散孔6を形成せずに、イ
オン導電体2の中央部に上下に貫通する気体拡散孔12
を形成したものも知られている。そして、この構成の酸
素センサ11においても、イオン導電体2の気体拡散孔
12から取り込まれた試料ガス中の酸素が酸素ポンピン
グ作用により該イオン導電体2中をイオンとなって流
れ、この酸素イオンをキャリアとする電流値から前記試
料ガス中の酸素濃度が測定される。
Further, like the oxygen sensor 11 shown in FIG.
Without forming the gas diffusion hole 6 in the ceramic cap 7, the gas diffusion hole 12 penetrating vertically in the central portion of the ionic conductor 2.
It is also known that formed. Also in the oxygen sensor 11 having this configuration, oxygen in the sample gas taken in from the gas diffusion holes 12 of the ionic conductor 2 flows as ions in the ionic conductor 2 due to the oxygen pumping action. The oxygen concentration in the sample gas is measured from the value of the electric current using as a carrier.

【0005】また、図10に示す酸素センサ21の様
に、イオン導電体2の電極3の上部全体を内面に気密性
のあるガラス膜22が形成されたセラミックキャップ2
3により覆った構造のものも知られている。そして、こ
の構成の酸素センサ21においても、イオン導電体2の
気体拡散孔12から取り込まれた試料ガス中の酸素が酸
素ポンピング作用により該イオン導電体2中をイオンと
なって流れ、この酸素イオンをキャリアとする電流値か
ら前記試料ガス中の酸素濃度が測定される。
Further, like an oxygen sensor 21 shown in FIG. 10, a ceramic cap 2 having an airtight glass film 22 formed on the entire inner surface of the electrode 3 of the ionic conductor 2 is formed.
A structure covered with 3 is also known. Also in the oxygen sensor 21 having this configuration, oxygen in the sample gas taken in from the gas diffusion holes 12 of the ionic conductor 2 flows as ions in the ionic conductor 2 due to the oxygen pumping action. The oxygen concentration in the sample gas is measured from the value of the electric current using as a carrier.

【0006】また、薄膜型構造の酸素センサとしては、
例えば、図11に示す様な構造の酸素センサ31が知ら
れている。この酸素センサ31は、酸素透過性の基板3
2の上に、電極33、イオン導電体34、電極35が順
次積層された構造である。そして、この酸素センサ31
においては、基板32側から取り込まれた試料ガス中の
酸素が酸素ポンピング作用により該イオン導電体34中
をイオンとなって流れ、この酸素イオンをキャリアとす
る電流値から前記試料ガス中の酸素濃度が測定される。
Further, as the thin film type oxygen sensor,
For example, an oxygen sensor 31 having a structure as shown in FIG. 11 is known. The oxygen sensor 31 includes an oxygen permeable substrate 3
2 has a structure in which an electrode 33, an ion conductor 34, and an electrode 35 are sequentially stacked on top of 2. And this oxygen sensor 31
In the above, oxygen in the sample gas taken in from the substrate 32 side flows as ions in the ionic conductor 34 by the oxygen pumping action, and the oxygen concentration in the sample gas is determined from the current value using the oxygen ions as carriers. Is measured.

【0007】[0007]

【発明が解決しようとする課題】ところで、上述した酸
素センサ1〜31においては、いずれも安定化ジルコニ
ア等のイオン導電体の両面に電極が形成されているため
に、そのイオン電流特性はイオン導電体2,34の厚み
に大きく依存することとなり、これらのイオン導電体
2,34に対しては、厚みを高度に制御することが要求
される。しかしながら、実際の製造工程では、厚膜の場
合ではスクリーン印刷法が、また、薄膜の場合ではスパ
ッタリング等が好適に用いられているが、いずれの方法
においても前記イオン導電体2,34の厚みを高精度で
制御することは極めて難しく、イオン電流特性のバラツ
キを小さくすることができないという欠点があった。ま
た、上記の酸素センサ1〜31においては、イオン導電
体2(34)の両面に別々の工程により精度良く電極
3,4(33,35)を形成する必要があり、製造工程
が複雑になるとともに製造コストも上昇するという欠点
があった。これらの欠点は自動化ライン等を導入する際
に障害となることから、上記の酸素センサ1〜31は、
一般に大量生産化が困難であった。
In the oxygen sensors 1 to 31 described above, since the electrodes are formed on both sides of the ionic conductor such as stabilized zirconia, the ionic current characteristics thereof are ionic conductivity. This greatly depends on the thickness of the bodies 2 and 34, and these ionic conductors 2 and 34 are required to be highly controlled in thickness. However, in the actual manufacturing process, the screen printing method is preferably used in the case of a thick film, and the sputtering or the like is preferably used in the case of a thin film. It is extremely difficult to control with high accuracy, and there is a drawback in that variations in ion current characteristics cannot be reduced. Further, in the above oxygen sensors 1 to 31, it is necessary to accurately form the electrodes 3 and 4 (33, 35) on both surfaces of the ionic conductor 2 (34) by separate steps, which complicates the manufacturing process. At the same time, there was a drawback that the manufacturing cost also increased. Since these drawbacks are obstacles when introducing an automated line or the like, the oxygen sensors 1 to 31 described above are
Generally, mass production was difficult.

【0008】本発明は、上記の事情に鑑みてなされたも
のであって、上記の欠点を解決するとともに、高信頼
性、小型化、低消費電力、低コスト等の優れた特徴を有
する酸素センサを提供することにある。
The present invention has been made in view of the above circumstances, and solves the above-mentioned drawbacks and has an excellent feature such as high reliability, downsizing, low power consumption, and low cost. To provide.

【0009】[0009]

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、本発明は次の様な酸素センサを採用した。すなわ
ち、請求項1記載の酸素センサは、イオン導電体の一方
の面に少なくとも一対の電極が形成され、これらの電極
の少なくとも負の電極に被覆層が形成され、該被覆層の
電極上部に位置する部分は酸素を通過させることのでき
る無機材料からなるとともに、前記以外の部分は前記無
機材料と整合性の良い気密性を有する金属材料からな
り、これらの電極に所定の電圧を印加することにより、
該イオン導電体中に取り込まれた試料ガス中の酸素が酸
素ポンピング作用により前記イオン導電体中をイオンと
なって流れ、この酸素イオンをキャリアとする電流値か
ら、前記試料ガス中の酸素濃度が測定されることを特徴
としている。
In order to solve the above problems, the present invention employs the following oxygen sensor. That is, in the oxygen sensor according to claim 1, at least a pair of electrodes are formed on one surface of the ionic conductor, a coating layer is formed on at least a negative electrode of these electrodes, and the electrode is located above the coating layer. The part to be formed is made of an inorganic material capable of passing oxygen, and the part other than the above is made of a metal material having good airtightness with the inorganic material, and by applying a predetermined voltage to these electrodes. ,
Oxygen in the sample gas taken into the ionic conductor flows as ions in the ionic conductor by an oxygen pumping action, and the oxygen concentration in the sample gas is determined from the current value using the oxygen ions as carriers. It is characterized by being measured.

【0010】また、請求項2記載の酸素センサは、請求
項1記載の酸素センサにおいて、前記無機材料は、前記
電極を被覆する金属層の該電極上部に位置する部分を陽
極酸化してなることを特徴としている。
The oxygen sensor according to a second aspect is the oxygen sensor according to the first aspect, wherein the inorganic material is formed by anodizing a portion of a metal layer covering the electrode, which is located above the electrode. Is characterized by.

【0011】上記の酸素を通過させることのできる無機
材料は、例えば多孔質アルミナ(Al23)、Y23
1ないし15mol%添加した多孔質のイットリア安定
化ジルコニア等の多孔質セラミックスが好ましい。ま
た、前記無機材料と整合性の良い気密性を有する金属材
料は、前記多孔質セラミックスの構成元素であり気密性
を有する金属、例えば多孔質アルミナに対してはアルミ
ニウム(Al)金属、また、多孔質のイットリア安定化
ジルコニアに対してはイットリウム(Y)を2ないし3
0mol%添加したジルコニウム(Zr)合金等が好ま
しい。
The above-mentioned inorganic material capable of passing oxygen is, for example, porous ceramics such as porous alumina (Al 2 O 3 ) and porous yttria-stabilized zirconia containing 1 to 15 mol% of Y 2 O 3. Is preferred. In addition, the metal material having good airtightness that is compatible with the inorganic material is a metal that is a constituent element of the porous ceramics and has airtightness, for example, aluminum (Al) metal for porous alumina, or porous metal. 2 to 3 parts of yttrium (Y) for high quality yttria-stabilized zirconia
A zirconium (Zr) alloy added with 0 mol% is preferable.

【0012】[0012]

【作用】本発明の請求項1記載の酸素センサでは、酸素
を通過させることのできる無機材料を通過して前記イオ
ン導電体中に取り込まれた試料ガス中の酸素が酸素ポン
ピング作用により前記イオン導電体中、特に該イオン導
電体の表面層をイオンとなって流れ、この酸素イオンを
キャリアとする電流値から、前記試料ガス中の酸素濃度
が測定される。
In the oxygen sensor according to the first aspect of the present invention, oxygen in the sample gas taken into the ionic conductor through an inorganic material capable of passing oxygen is oxygen-pumping action to cause the ionic conductivity. Oxygen concentration in the sample gas is measured from the current value in which ions flow in the body, especially in the surface layer of the ionic conductor, and the oxygen ions serve as carriers.

【0013】また、少なくとも負の電極に形成された被
覆層は、該被覆層の電極上部に位置する部分が酸素を通
過させることのできる無機材料からなるとともに、前記
以外の部分が前記無機材料と整合性の良い気密性を有す
る金属材料からなることにより、負の電極上部のみに選
択的に酸素を通過させることが可能になり、酸素センサ
の限界電流特性のバラツキを極めて小さくすることが可
能になる。また、イオン導電体の表面層の特性を効果的
に利用することにより、イオン導電体の厚みは機械的強
度を充分満足する厚みであれば良く、特に高精度で制御
する必要がなくなる。
The coating layer formed on at least the negative electrode is made of an inorganic material that allows oxygen to pass through the portion of the coating layer located above the electrode, and the portion other than the above is the inorganic material. By using a metal material that has good airtightness and consistency, it is possible to selectively pass oxygen only to the upper part of the negative electrode, making it possible to minimize the variation in the limiting current characteristics of the oxygen sensor. Become. Further, by effectively utilizing the characteristics of the surface layer of the ionic conductor, the thickness of the ionic conductor only needs to be a thickness that sufficiently satisfies the mechanical strength, and it is not necessary to control it with high precision.

【0014】また、イオン導電体の一方の面に電極を形
成することにより、イオン導電体の両面に別々の工程に
より電極付けを行う必要がなくなり、製造工程が簡単化
され製造コストも低減される。
By forming electrodes on one surface of the ionic conductor, it is not necessary to attach electrodes to both surfaces of the ionic conductor in separate steps, which simplifies the manufacturing process and reduces the manufacturing cost. ..

【0015】また、請求項2記載の酸素センサでは、前
記電極を被覆する金属層の該電極上部に位置する部分を
陽極酸化して酸素を通過させることのできる無機材料と
することにより、前記金属材料の該無機材料への変化が
連続的となり、これら金属材料と無機材料との接合面に
生ずるストレスが小さくなり、耐久性を向上させること
が可能となる。また、印加電圧または電流の大きさを調
整することにより、前記無機材料の気孔率を調整するこ
とが可能になる。
Further, in the oxygen sensor according to the present invention, the portion of the metal layer covering the electrode located above the electrode is anodized to be an inorganic material capable of allowing oxygen to pass therethrough. The material changes to the inorganic material continuously, the stress generated on the joint surface between the metal material and the inorganic material is reduced, and the durability can be improved. Further, the porosity of the inorganic material can be adjusted by adjusting the magnitude of the applied voltage or the current.

【0016】[0016]

【実施例】以下、本発明の酸素センサの各実施例につい
て図面に基づき説明する。 (実施例1)図1は、本発明の実施例1の酸素センサ4
1を示す正断面図である。この酸素センサ41は、シリ
コン(Si)基板42と、該Si基板42の上面に形成
された安定化ジルコニア(例えば、ZrO2ー8mol
%Y23)等からなる薄膜のイオン導電体34と、該イ
オン導電体34の上面に10μmの間隔をおいて形成さ
れ矩形状の多孔質の白金の正電極43及び負電極44
と、該負電極44の上に形成された無機材料の被覆層4
5とから概略構成されている。
Embodiments of the oxygen sensor of the present invention will be described below with reference to the drawings. (Embodiment 1) FIG. 1 shows an oxygen sensor 4 according to Embodiment 1 of the present invention.
FIG. 2 is a front sectional view showing 1. The oxygen sensor 41 includes a silicon (Si) substrate 42, stabilized zirconia formed on the upper surface of the Si substrate 42 (e.g., ZrO 2 over 8mol
% Y 2 O 3 ) etc., and a positive electrode 43 and a negative electrode 44 of rectangular porous platinum formed at an interval of 10 μm on the upper surface of the ion conductor 34.
And the inorganic material coating layer 4 formed on the negative electrode 44.
5 and 5 are roughly configured.

【0017】被覆層45の負電極44上部に位置する部
分45aは多孔質アルミナ(Al23)からなる酸素を
通過させることのできる無機材料により、また、前記以
外の部分45bは緻密なアルミニウム(Al)からなる
前記無機材料と整合性の良い気密性を有する金属材料に
よりそれぞれ構成されている。
The portion 45a of the coating layer 45 located above the negative electrode 44 is made of porous alumina (Al 2 O 3 ) which is an inorganic material capable of passing oxygen, and the portion 45b other than the above is made of dense aluminum. Each of them is made of a metal material which is airtight and has a good compatibility with the inorganic material made of (Al).

【0018】上記の酸素を通過させることのできる無機
材料としては、前記多孔質アルミナ以外に、例えば、Z
rO2ー8mol%Y23、ZrO2ー3mol%Y23
等の多孔質イットリア安定化ジルコニアが好適に用いら
れる。また、前記無機材料と整合性の良い気密性を有す
る金属材料としては、前記Al以外に、例えば、ZrO
2ー8mol%Y23に対してはZrー16mol%Y
のジルコニウム合金、ZrO2ー3mol%Y23に対
してはZrー6mol%Yのジルコニウム合金が好適に
用いられる。
As the above-mentioned inorganic material capable of passing oxygen, in addition to the above-mentioned porous alumina, for example, Z
and rO 2 over 8mol% Y 2 O 3, ZrO 2 over 3mol% Y 2 O 3
Porous yttria-stabilized zirconia such as, for example, are preferably used. In addition to the Al, as the metal material having good airtightness with the inorganic material, for example, ZrO
Zr chromatography for 2-8mol% Y 2 O 3 16mol% Y
With respect to the zirconium alloy of ZrO 2 -3 mol% Y 2 O 3 , the zirconium alloy of Zr-6 mol% Y is preferably used.

【0019】次に、被覆層45の形成方法について図2
に基づき説明する。同図(a)に示すように、Si基板
42の上面にイオン導電体34、正電極43及び負電極
44を順次形成し、その後、負電極44上にAl膜51
を形成する(基板52)。
Next, a method of forming the coating layer 45 will be described with reference to FIG.
It will be explained based on. As shown in FIG. 5A, the ion conductor 34, the positive electrode 43, and the negative electrode 44 are sequentially formed on the upper surface of the Si substrate 42, and then the Al film 51 is formed on the negative electrode 44.
Are formed (substrate 52).

【0020】次いで、定電流電源の出力端のプラス側を
負電極44に接続し、同マイナス側を別途用意したステ
ンレス板53に接続し、これらの基板52及びステンレ
ス板53を4Nのリン酸(H3PO4)水溶液54中に浸
漬し、基板52とステンレス板53との間に所定の電流
を流す(同図(b))。この間に、Al膜51の負電極
44上の部分51aが陽極酸化され、多孔質アルミナに
変化する。この様にして、負電極44の上に被覆層45
を形成することができる。
Next, the positive side of the output end of the constant current power source is connected to the negative electrode 44, the negative side is connected to a separately prepared stainless steel plate 53, and these substrates 52 and stainless steel plate 53 are connected to 4N phosphoric acid ( It is immersed in an H 3 PO 4 ) aqueous solution 54, and a predetermined current is passed between the substrate 52 and the stainless steel plate 53 ((b) of the same figure). During this time, the portion 51a of the Al film 51 on the negative electrode 44 is anodized and changed to porous alumina. In this way, the coating layer 45 is formed on the negative electrode 44.
Can be formed.

【0021】図3は酸素センサ41の限界電流特性を示
す図である。この図は、該酸素センサ41を300℃に
加熱し、電極43,44間に印加される電圧の大きさを
変化させた場合に得られる電流の大きさをグラフ化した
ものである。図3から、この実施例1の酸素センサ41
は、良好な限界電流特性を示すことがわかる。しかも、
限界電流特性のバラツキが小さく被覆層45の多孔質ア
ルミナは極めて均一である。
FIG. 3 is a diagram showing the limiting current characteristics of the oxygen sensor 41. This figure is a graph showing the magnitude of the electric current obtained when the oxygen sensor 41 is heated to 300 ° C. and the magnitude of the voltage applied between the electrodes 43 and 44 is changed. From FIG. 3, the oxygen sensor 41 of the first embodiment is shown.
It is understood that indicates a good limiting current characteristic. Moreover,
The variation of the limiting current characteristics is small, and the porous alumina of the coating layer 45 is extremely uniform.

【0022】以上説明した様に、上記実施例の酸素セン
サ41によれば、Si基板42の上面に形成された薄膜
のイオン導電体34と、該イオン導電体34の上面に形
成された正電極43及び負電極44と、該負電極44の
上に形成された無機材料の被覆層45とからなることと
したので、負電極44の上部のみに選択的に酸素を通過
させることができ、酸素センサの限界電流特性のバラツ
キを極めて小さくすることができる。また、イオン導電
体34の表面層の特性を効果的に利用することにより、
イオン導電体34の厚みは機械的強度を充分満足する厚
みとすれば良く、特に高精度で制御する必要がなくな
る。
As described above, according to the oxygen sensor 41 of the above embodiment, the thin film ionic conductor 34 formed on the upper surface of the Si substrate 42 and the positive electrode formed on the upper surface of the ionic conductor 34. 43 and the negative electrode 44, and the inorganic material coating layer 45 formed on the negative electrode 44, oxygen can be selectively passed only to the upper portion of the negative electrode 44. It is possible to make the variation in the limiting current characteristic of the sensor extremely small. Further, by effectively utilizing the characteristics of the surface layer of the ionic conductor 34,
The thickness of the ionic conductor 34 may be a thickness that sufficiently satisfies the mechanical strength, and it is not necessary to control it with high precision.

【0023】また、イオン導電体34の一方の面に正電
極43及び負電極44を形成することとしたので、製造
工程を簡単化することができ、製造コストを低減するこ
とができる。
Further, since the positive electrode 43 and the negative electrode 44 are formed on one surface of the ionic conductor 34, the manufacturing process can be simplified and the manufacturing cost can be reduced.

【0024】また、被覆層45の負電極44上部に位置
する部分45aの金属を陽極酸化することにより酸素を
通過させることのできる無機材料(多孔質アルミナ)を
形成してなることとしたので、前記金属材料の該無機材
料への変化が連続的となり、これら金属材料と無機材料
との接合面に生ずる熱的及び機械的ストレスを小さくす
ることができ、耐久性を向上させることができる。ま
た、印加電圧または電流の大きさを調整することによ
り、前記無機材料の気孔率を調整することができる。し
たがって、試料ガス中の酸素を選択的に通過させること
ができ、酸素センサとしての感度を向上させることがで
きる。
Further, since the metal of the portion 45a located above the negative electrode 44 of the coating layer 45 is anodized, an inorganic material (porous alumina) capable of passing oxygen is formed. The change of the metal material to the inorganic material becomes continuous, the thermal and mechanical stress generated at the joint surface between the metal material and the inorganic material can be reduced, and the durability can be improved. Further, the porosity of the inorganic material can be adjusted by adjusting the magnitude of the applied voltage or the current. Therefore, oxygen in the sample gas can be selectively passed, and the sensitivity as an oxygen sensor can be improved.

【0025】(実施例2)図4は、本発明の実施例2の
酸素センサ61を示す正断面図である。この酸素センサ
61は、Si基板42と、イオン導電体34と、正電極
43及び負電極44と、これらの電極43,44の上に
形成された無機材料の被覆層62とから概略構成されて
いる。被覆層62の電極43,44それぞれの上部に位
置する部分62a,62bは多孔質アルミナから、ま
た、前記以外の部分62c,…は緻密なAlからそれぞ
れ構成されている。
(Second Embodiment) FIG. 4 is a front sectional view showing an oxygen sensor 61 according to a second embodiment of the present invention. This oxygen sensor 61 is roughly composed of a Si substrate 42, an ionic conductor 34, a positive electrode 43 and a negative electrode 44, and an inorganic material coating layer 62 formed on these electrodes 43, 44. There is. The portions 62a and 62b of the coating layer 62 located above the electrodes 43 and 44 are made of porous alumina, and the other portions 62c, ... Are made of dense Al.

【0026】被覆層62は、実施例1の被覆層45と同
様に、電極43,44上にAl膜を形成し、このAl膜
の電極43,44の各上部に位置する部分を陽極酸化す
ることにより形成することができる。この酸素センサ6
1においても、上述した酸素センサ41と同様の作用・
効果を得ることができる。
As for the coating layer 62, similarly to the coating layer 45 of the first embodiment, an Al film is formed on the electrodes 43 and 44, and the portions of the Al film located above the electrodes 43 and 44 are anodized. It can be formed by This oxygen sensor 6
Also in 1, the same operation as the oxygen sensor 41 described above
The effect can be obtained.

【0027】(実施例3)図5は、本発明の実施例3の
酸素センサ71を示す正断面図である。この酸素センサ
71は、Si基板42の表面に酸化膜(SiO2膜)7
2を形成し、この酸化膜72の上にイオン導電体34、
正電極43及び負電極44を順次形成し、該負電極44
の上に被覆層45を形成したものである。この酸素セン
サ71においても、上述した酸素センサ41,61と同
様の作用・効果を得ることができる。
(Third Embodiment) FIG. 5 is a front sectional view showing an oxygen sensor 71 according to a third embodiment of the present invention. The oxygen sensor 71 has an oxide film (SiO 2 film) 7 on the surface of the Si substrate 42.
2 is formed, and the ionic conductor 34,
The positive electrode 43 and the negative electrode 44 are sequentially formed, and the negative electrode 44
The coating layer 45 is formed on the above. Also in this oxygen sensor 71, the same action and effect as those of the oxygen sensors 41 and 61 described above can be obtained.

【0028】(実施例4)図6は、本発明の実施例4の
酸素センサ81を示す正断面図である。この酸素センサ
81は、Si基板42上にイオン導電体34、5対の正
電極43及び負電極44を順次形成し、各負電極44の
上に被覆層45を形成したものである。
(Embodiment 4) FIG. 6 is a front sectional view showing an oxygen sensor 81 according to Embodiment 4 of the present invention. In this oxygen sensor 81, an ion conductor 34, five pairs of positive electrodes 43 and negative electrodes 44 are sequentially formed on a Si substrate 42, and a coating layer 45 is formed on each negative electrode 44.

【0029】図7は酸素センサ81の限界電流特性を示
す図である。この図においては、該酸素センサ81を3
00℃に加熱し、電極43,44間に印加される電圧の
大きさを変化させた場合に得られる電流の大きさをグラ
フ化した。図7から、この実施例4の酸素センサ81
は、良好な限界電流特性を示すことがわかる。
FIG. 7 is a diagram showing the limiting current characteristics of the oxygen sensor 81. In this figure, the oxygen sensor 81 is
The magnitude of the current obtained when heated to 00 ° C. and the magnitude of the voltage applied between the electrodes 43 and 44 was changed was plotted. From FIG. 7, the oxygen sensor 81 of the fourth embodiment is shown.
It is understood that indicates a good limiting current characteristic.

【0030】この酸素センサ81においても、上述した
酸素センサ41,61,71と同様の作用・効果を得る
ことができる。
Also in this oxygen sensor 81, the same action and effect as those of the oxygen sensors 41, 61, 71 described above can be obtained.

【0031】[0031]

【発明の効果】以上詳細に説明した様に、本発明の請求
項1記載の酸素センサによれば、イオン導電体の一方の
面に少なくとも一対の電極が形成され、これらの電極の
少なくとも負の電極に被覆層が形成され、該被覆層の電
極上部に位置する部分は酸素を通過させることのできる
無機材料からなるとともに、前記以外の部分は前記無機
材料と整合性の良い気密性を有する金属材料からなり、
これらの電極に所定の電圧を印加することにより、該イ
オン導電体中に取り込まれた試料ガス中の酸素が酸素ポ
ンピング作用により前記イオン導電体中をイオンとなっ
て流れ、この酸素イオンをキャリアとする電流値から、
前記試料ガス中の酸素濃度が測定されることとしたの
で、負の電極上部のみに選択的に酸素を通過させること
ができ、酸素センサの限界電流特性のバラツキを極めて
小さくすることができる。また、イオン導電体の表面層
の特性を効果的に利用することにより、イオン導電体の
厚みは機械的強度を充分満足する厚みであれば良く、特
に高精度で制御する必要がなくなる。
As described in detail above, according to the oxygen sensor of claim 1 of the present invention, at least a pair of electrodes is formed on one surface of the ionic conductor, and at least the negative electrodes of these electrodes are formed. A coating layer is formed on the electrode, and the portion of the coating layer located above the electrode is made of an inorganic material that allows oxygen to pass through, and the portion other than the above is a metal having a good airtightness with the inorganic material. Made of materials,
By applying a predetermined voltage to these electrodes, oxygen in the sample gas taken into the ionic conductor flows as ions in the ionic conductor due to the oxygen pumping action, and the oxygen ions serve as carriers. From the current value to
Since the oxygen concentration in the sample gas is to be measured, oxygen can be selectively passed only through the negative electrode upper part, and the variation in the limiting current characteristic of the oxygen sensor can be made extremely small. Further, by effectively utilizing the characteristics of the surface layer of the ionic conductor, the thickness of the ionic conductor only needs to be a thickness that sufficiently satisfies the mechanical strength, and it is not necessary to control it with high precision.

【0032】また、イオン導電体の一方の面に電極を形
成することにより、イオン導電体の両面に別々の工程に
より電極付けを行う必要がなくなり、製造工程が簡単化
され製造コストも低減される。
By forming electrodes on one surface of the ionic conductor, it is not necessary to attach electrodes to both surfaces of the ionic conductor in separate steps, which simplifies the manufacturing process and reduces the manufacturing cost. ..

【0033】また、請求項2記載の酸素センサによれ
ば、請求項1記載の酸素センサにおいて、前記無機材料
は、前記電極を被覆する金属層の該電極上部に位置する
部分を陽極酸化してなることとしたので、前記金属材料
の該無機材料への変化が連続的となり、これら金属材料
と無機材料との接合面に生ずる熱的及び機械的ストレス
を小さくすることができ、耐久性を向上させることがで
きる。また、印加電圧または電流の大きさを調整するこ
とにより、前記無機材料の気孔率を調整することができ
る。したがって、試料ガス中の酸素を選択的に通過させ
ることができ、酸素センサとしての感度を向上させるこ
とができる。
According to the oxygen sensor of the second aspect, in the oxygen sensor of the first aspect, the inorganic material anodizes a portion of the metal layer covering the electrode, which is located above the electrode. Since the change of the metallic material to the inorganic material is continuous, the thermal and mechanical stress generated at the joint surface between the metallic material and the inorganic material can be reduced, and the durability is improved. Can be made Further, the porosity of the inorganic material can be adjusted by adjusting the magnitude of the applied voltage or the current. Therefore, oxygen in the sample gas can be selectively passed, and the sensitivity as an oxygen sensor can be improved.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図1】 本発明の実施例1の酸素センサを示す正断面
図である。
FIG. 1 is a front sectional view showing an oxygen sensor according to a first embodiment of the present invention.

【図2】 本発明の実施例1の酸素センサの被覆層の形
成方法を示す図である。
FIG. 2 is a diagram showing a method of forming a coating layer of the oxygen sensor of Example 1 of the present invention.

【図3】 本発明の実施例1の酸素センサの限界電流特
性を示す図である。
FIG. 3 is a diagram showing a limiting current characteristic of the oxygen sensor of Example 1 of the present invention.

【図4】 本発明の実施例2の酸素センサを示す正断面
図である。
FIG. 4 is a front sectional view showing an oxygen sensor according to a second embodiment of the present invention.

【図5】 本発明の実施例3の酸素センサを示す正断面
図である。
FIG. 5 is a front sectional view showing an oxygen sensor of Example 3 of the present invention.

【図6】 本発明の実施例4の酸素センサを示す正断面
図である。
FIG. 6 is a front sectional view showing an oxygen sensor of Example 4 of the present invention.

【図7】 本発明の実施例4の酸素センサの限界電流特
性を示す図である。
FIG. 7 is a diagram showing a limiting current characteristic of the oxygen sensor of Example 4 of the present invention.

【図8】 従来の酸素センサを示す正断面図である。FIG. 8 is a front sectional view showing a conventional oxygen sensor.

【図9】 従来の酸素センサを示す正断面図である。FIG. 9 is a front cross-sectional view showing a conventional oxygen sensor.

【図10】 従来の酸素センサを示す正断面図である。FIG. 10 is a front sectional view showing a conventional oxygen sensor.

【図11】 従来の酸素センサを示す正断面図である。FIG. 11 is a front sectional view showing a conventional oxygen sensor.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

41 … 酸素センサ、42 … 基板、34 … イオン導
電体、43 … 正電極、44 … 負電極、45 … 被覆
層、61 … 酸素センサ、62 … 被覆層、71 … 酸
素センサ、72 … 酸化膜、81 … 酸素センサ。
41 ... Oxygen sensor, 42 ... Substrate, 34 ... Ion conductor, 43 ... Positive electrode, 44 ... Negative electrode, 45 ... Coating layer, 61 ... Oxygen sensor, 62 ... Coating layer, 71 ... Oxygen sensor, 72 ... Oxide film, 81 ... Oxygen sensor.

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 加藤 嘉則 東京都江東区木場一丁目5番1号 藤倉電 線株式会社内 ─────────────────────────────────────────────────── ─── Continuation of the front page (72) Inventor Yoshinori Kato 1-5-1, Kiba, Koto-ku, Tokyo Inside Fujikura Electric Wire Co., Ltd.

Claims (2)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 イオン導電体の一方の面に少なくとも一
対の電極が形成され、これらの電極の少なくとも負の電
極に被覆層が形成され、 該被覆層の電極上部に位置する部分は酸素を通過させる
ことのできる無機材料からなるとともに、前記以外の部
分は前記無機材料と整合性の良い気密性を有する金属材
料からなり、 これらの電極に所定の電圧を印加することにより、該イ
オン導電体中に取り込まれた試料ガス中の酸素が酸素ポ
ンピング作用により前記イオン導電体中をイオンとなっ
て流れ、この酸素イオンをキャリアとする電流値から、
前記試料ガス中の酸素濃度が測定されることを特徴とす
る酸素センサ。
1. At least a pair of electrodes is formed on one surface of an ionic conductor, a coating layer is formed on at least a negative electrode of these electrodes, and a portion of the coating layer located above the electrodes passes oxygen. In addition to being made of an inorganic material that can be made to exist, the portions other than the above are made of a metal material that has good airtightness with the inorganic material, and by applying a predetermined voltage to these electrodes, Oxygen in the sample gas taken in by the oxygen ion pumping action flows as ions in the ionic conductor, from the current value using the oxygen ions as carriers,
An oxygen sensor, wherein the oxygen concentration in the sample gas is measured.
【請求項2】 請求項1記載の酸素センサにおいて、 前記無機材料は、前記電極を被覆する金属層の該電極上
部に位置する部分を陽極酸化してなることを特徴とする
酸素センサ。
2. The oxygen sensor according to claim 1, wherein the inorganic material is formed by anodizing a portion of a metal layer covering the electrode, which is located above the electrode.
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2006064730A1 (en) * 2004-12-15 2006-06-22 Sumitomo Titanium Corporation Method for producing metal
US7361258B2 (en) 1998-05-18 2008-04-22 Ngk Spark Plug Co., Ltd. Sensor element and gas sensor

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