JPH07190987A - Limiting current-type oxygen sensor - Google Patents

Limiting current-type oxygen sensor

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JPH07190987A
JPH07190987A JP5328743A JP32874393A JPH07190987A JP H07190987 A JPH07190987 A JP H07190987A JP 5328743 A JP5328743 A JP 5328743A JP 32874393 A JP32874393 A JP 32874393A JP H07190987 A JPH07190987 A JP H07190987A
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JP
Japan
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mounting member
sensor chip
electrode
chip mounting
chip
Prior art date
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Application number
JP5328743A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Takafumi Kajima
孝文 鹿嶋
Katsuaki Nakamura
克明 中村
Naoji Yadori
尚次 宿利
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
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  • Measuring Oxygen Concentration In Cells (AREA)

Abstract

PURPOSE:To improve mechanical strength and thermal efficiency by providing a through hole penetrating to a rear surface on a sensor chip mounting member. CONSTITUTION:An electrode 2a for connecting a heater 2, a connection electrode 3a for a cathode, and a connection electrode 3b for an anode are provided on a cap of a sensor chip 1. On the other hand, a chip mounting member 4 is constituted of an angular cylindrical insulation member 5 formed by porous ceramic. Then, a through hole 6 penetrating from the upper surface to the rear surface along the center axis is provided. Therefore, the gas inside the hole 6 acts as a heat-insulating material, thus suppressing the heating of the mounting member 4, and increasing heat efficiency. The mounting member 4 is a cylindrical structure and the hole 6 is provided at a position matching the heater 2. Therefore, even if the sensor chip 1 is curved, the contact with the mounting member 4 can be avoided. The mounting member 4 is produced by extruding ceramic in a tube shape by injection molding, etc., in a mass production.

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、小型で安価であり石油
ファンヒータ等に使用される限界電流式酸素センサに関
し、特に固体電解質基板を挟んで配置された1対の電極
を有し限界電流特性を利用して気体中の酸素濃度を検出
する限界電流式酸素センサに関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a limiting current type oxygen sensor which is small and inexpensive and is used for an oil fan heater or the like, and more particularly to a limiting current sensor having a pair of electrodes arranged with a solid electrolyte substrate interposed therebetween. The present invention relates to a limiting current type oxygen sensor that detects oxygen concentration in gas by utilizing its characteristics.

【0002】[0002]

【従来の技術】図6は限界電流式酸素センサのセンサチ
ップの一例を示す断面図である。この種の限界電流式酸
素センサチップにおいては、安定化ジルコニアからなる
固体電解質基板41を挟んで、カソード電極42及びア
ノード電極43が形成されている。これらの電極42、
43は、いずれもポーラス(多孔質)な白金からなり、
その内部を気体が流通可能になっている。そして、固体
電解質基板41のカソード電極42側の面には下端が開
放した形状のキャップ44がその下端縁を基板41に固
定して設けられており、これにより、キャップ44と基
板41とに囲まれた内部空間が形成される。カソード電
極42はこの内部空間に接し、アノード電極43は外部
雰囲気に接する。キャップ44には1個又は複数個の微
細な気体拡散孔44bが穿設されており、これにより外
部雰囲気と内部空間とが気体拡散孔44bを介して連通
する。また、キャップ44上にはヒータ46が設けられ
ており、このヒータ46に通電することによりヒータ4
6が抵抗発熱して酸素センサが加熱されるようになって
いる。更に、カソード電極42とアノード電極43との
間には電源49が接続され、この電源49に直列及び並
列に夫々電流計48及び電圧計47が接続される。
2. Description of the Related Art FIG. 6 is a sectional view showing an example of a sensor chip of a limiting current type oxygen sensor. In this type of limiting current type oxygen sensor chip, a cathode electrode 42 and an anode electrode 43 are formed with a solid electrolyte substrate 41 made of stabilized zirconia interposed therebetween. These electrodes 42,
43 is made of porous platinum,
Gas can flow through the inside. Further, a cap 44 having an open lower end is provided on the surface of the solid electrolyte substrate 41 on the cathode electrode 42 side with the lower end edge fixed to the substrate 41, whereby the cap 44 and the substrate 41 are surrounded. A closed internal space is formed. The cathode electrode 42 is in contact with this internal space, and the anode electrode 43 is in contact with the external atmosphere. The cap 44 is provided with one or a plurality of fine gas diffusion holes 44b, which allows the external atmosphere and the internal space to communicate with each other through the gas diffusion holes 44b. A heater 46 is provided on the cap 44, and the heater 4 is turned on by energizing the heater 46.
6 heats the oxygen sensor due to resistance heating. Further, a power source 49 is connected between the cathode electrode 42 and the anode electrode 43, and an ammeter 48 and a voltmeter 47 are connected to the power source 49 in series and in parallel, respectively.

【0003】なお、通常、キャップ44上には、ヒータ
46、カソード電極42及びアノード電極43に夫々電
気的に接続された4個の接続用電極が設けられている。
そして、センサチップは、これらの接続用電極に接合さ
れたリード線により、支持部材に立設された4本のピン
間に宙吊りの状態で配置されている。
Normally, four connecting electrodes electrically connected to the heater 46, the cathode electrode 42 and the anode electrode 43 are provided on the cap 44.
Then, the sensor chip is arranged in a suspended state between the four pins erected on the supporting member by the lead wires joined to these connecting electrodes.

【0004】上述した構造を有する限界電流式酸素セン
サにおいては、ヒータ46に給電して抵抗発熱させるこ
とによりセンサチップを高温に加熱すると共に、電源4
9によりカソード電極42とアノード電極43との間に
所定の電圧(V)を印加する。そうすると、酸素ポンピ
ング作用により、固体電解質基板41とキャップ44と
に囲まれた内部空間に存在する気体中に含有されている
酸素分子(O2 )はカソード電極42を介して電子を得
て酸素イオンになり、固体電解質基板41内に入る。こ
の酸素イオンは、基板41内の酸素イオン空孔を介して
基板41内をその厚さ方向に移動する。そして、この酸
素イオンはアノード電極43に到達して電子を放出し、
再び酸素分子となって外部に放出される。この酸素イオ
ンの移動により、アノード電極43とカソード電極42
との間に電流(A)が流れる。
In the limiting current type oxygen sensor having the above-mentioned structure, the heater 46 is supplied with electric power to generate resistance and heat the sensor chip to a high temperature, and at the same time, the power source 4 is used.
9 applies a predetermined voltage (V) between the cathode electrode 42 and the anode electrode 43. Then, due to the oxygen pumping action, oxygen molecules (O 2 ) contained in the gas existing in the internal space surrounded by the solid electrolyte substrate 41 and the cap 44 acquire electrons via the cathode electrode 42 to obtain oxygen ions. And enters the solid electrolyte substrate 41. The oxygen ions move in the substrate 41 in the thickness direction through the oxygen ion holes in the substrate 41. Then, the oxygen ions reach the anode electrode 43 to emit electrons,
It becomes oxygen molecules again and is released to the outside. Due to the movement of the oxygen ions, the anode electrode 43 and the cathode electrode 42
A current (A) flows between and.

【0005】ところで、酸素の移動によりセンサチップ
の内部空間は負圧となり、気体拡散孔44bを介して外
部から気体が流入する。このとき、気体の流入量は気体
拡散孔44bにより制限されるため、酸素センサの電流
−電圧特性においてカソード電極42及びアノード電極
43間に印加する電圧を上昇させても電流が変化しない
所謂フラット域が観測される。この特性を限界電流特性
といい、このときの電流を限界電流という。
By the way, due to the movement of oxygen, the internal space of the sensor chip becomes a negative pressure, and the gas flows in from the outside through the gas diffusion hole 44b. At this time, the inflow amount of the gas is limited by the gas diffusion hole 44b, so that the current does not change even if the voltage applied between the cathode electrode 42 and the anode electrode 43 is increased in the current-voltage characteristic of the oxygen sensor, which is a so-called flat region. Is observed. This characteristic is called the limiting current characteristic, and the current at this time is called the limiting current.

【0006】限界電流式酸素センサの限界電流の値は、
気体拡散孔の形状、使用時のセンサの温度及び雰囲気の
圧力が一定であるとすると、雰囲気中の酸素濃度に依存
する。従って、予め限界電流値と酸素濃度との関係を求
めておけば、限界電流値を測定することにより酸素濃度
未知の雰囲気中の酸素濃度を知ることができる。
The value of the limiting current of the limiting current type oxygen sensor is
If the shape of the gas diffusion hole, the temperature of the sensor during use, and the pressure of the atmosphere are constant, it depends on the oxygen concentration in the atmosphere. Therefore, if the relationship between the limiting current value and the oxygen concentration is obtained in advance, the oxygen concentration in the atmosphere of unknown oxygen concentration can be known by measuring the limiting current value.

【0007】[0007]

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述し
た従来の限界電流式酸素センサにおいてはセンサチップ
がリード線により宙吊りされた状態であるので、ヒータ
で発生した熱がセンサチップの加熱に有効に使用され熱
効率が良好であるという利点があるものの、機械的強度
が十分でないという欠点がある。
However, in the above-mentioned conventional limiting current type oxygen sensor, since the sensor chip is suspended by the lead wire, the heat generated by the heater is effectively used for heating the sensor chip. However, it has the advantage of good thermal efficiency, but has the disadvantage of insufficient mechanical strength.

【0008】機械的強度を向上させるためには、例えば
セラミックス板等の耐熱性絶縁部材上に限界電流式酸素
センサチップを接合させることが考えられる。しかし、
この場合は、ヒータで発生した熱が絶縁性部材に吸収さ
れてしまうため熱効率が悪くなり、余分な電力が必要に
なるという欠点がある。
In order to improve the mechanical strength, it can be considered to bond the limiting current type oxygen sensor chip on a heat resistant insulating member such as a ceramic plate. But,
In this case, since the heat generated by the heater is absorbed by the insulating member, the thermal efficiency is deteriorated and extra power is required.

【0009】本発明はかかる問題点に鑑みてなされたも
のであって、機械的強度が高く、且つ、熱効率が高い限
界電流式酸素センサを提供することを目的とする。
The present invention has been made in view of such problems, and an object thereof is to provide a limiting current type oxygen sensor having high mechanical strength and high thermal efficiency.

【0010】[0010]

【課題を解決するための手段】本発明に係る限界電流式
酸素センサは、限界電流特性を利用して酸素濃度を検出
する検出部及びこの検出部を加熱するヒータ部が設けら
れたセンサチップと、このセンサチップが搭載され前記
ヒータ部に整合する位置からその裏面側に貫通する貫通
孔が設けられたチップ搭載部材とを有することを特徴と
する。
A limiting current type oxygen sensor according to the present invention is a sensor chip provided with a detecting section for detecting oxygen concentration by utilizing limiting current characteristics and a heater section for heating the detecting section. A chip mounting member provided with a through hole penetrating from the position where the sensor chip is mounted and aligned with the heater part to the back surface side thereof.

【0011】[0011]

【作用】本発明においては、センサチップはチップ搭載
部材に接合されている。この場合に、単に平坦な面上に
センサチップを接合しただけでは、ピン間にリード線で
宙吊りされた従来の限界電流式酸素センサに比して機械
的強度は向上するものの、ヒータ部により発生した熱が
チップ搭載部材の加熱にも使用されてしまうため熱効率
が悪い。しかし、本発明に係る酸素センサのチップ搭載
部材には前記ヒータ部に整合する位置から裏面側に貫通
する貫通孔が設けられているため、この孔内の気体が断
熱材として作用し、チップ搭載部材が加熱されることを
抑制できて熱効率が高い。また、センサチップはヒータ
部で発生した熱によりヒータ部側の面の中央部が突出す
るように湾曲するため、センサチップをその接合面が平
坦なチップ搭載部材上に接合すると、センサチップの湾
曲によりセンサチップとチップ搭載部材が当接して、接
合部が破損する虞がある。しかし、本発明においては、
チップ搭載部材は筒状の構造であり、センサチップのヒ
ータ部に整合する位置に孔が設けられているため、セン
サチップが湾曲してもチップ搭載部材との当接を回避で
きる。また、前記チップ搭載部材は、射出成形等の技術
を用いてセラミックスをチューブ状に押し出すことによ
り製造できるので、大量生産が容易であり、製造コスト
を低減できる。
In the present invention, the sensor chip is bonded to the chip mounting member. In this case, if the sensor chip is simply joined on a flat surface, the mechanical strength is improved compared with the conventional limiting current type oxygen sensor suspended by the lead wire between the pins, but it is generated by the heater part. Since the generated heat is also used for heating the chip mounting member, the thermal efficiency is poor. However, since the oxygen sensor chip mounting member according to the present invention is provided with a through hole penetrating from the position aligned with the heater portion to the back surface side, the gas in this hole acts as a heat insulating material, and the chip mounting member is mounted. The heating of the member can be suppressed and the thermal efficiency is high. Further, the sensor chip is bent by the heat generated in the heater part so that the central part of the surface on the heater part side is projected. Therefore, when the sensor chip is bonded onto a chip mounting member having a flat bonding surface, the sensor chip bends. As a result, the sensor chip and the chip mounting member may come into contact with each other and the joint may be damaged. However, in the present invention,
Since the chip mounting member has a cylindrical structure and the hole is provided at a position aligned with the heater portion of the sensor chip, it is possible to avoid contact with the chip mounting member even if the sensor chip is curved. Further, since the chip mounting member can be manufactured by extruding ceramics into a tube shape using a technique such as injection molding, mass production is easy and manufacturing cost can be reduced.

【0012】なお、センサチップとチップ搭載部材との
当接を回避するだけであれば、例えば導電ペーストの量
を多くしてセンサチップとチップ搭載部材との間の隙間
を大きくすることも考えられるが、そうすると、両者の
間の接合強度が著しく低下する。従って、チップ搭載部
材には、センサチップのヒータ部に整合する位置に孔が
設けられていることが必要である。
If only contact between the sensor chip and the chip mounting member is to be avoided, it is conceivable to increase the amount of conductive paste to increase the gap between the sensor chip and the chip mounting member. However, if so, the bonding strength between the two is significantly reduced. Therefore, it is necessary that the chip mounting member be provided with a hole at a position aligned with the heater portion of the sensor chip.

【0013】また、前記貫通孔に替えて、センサチップ
のヒータ部に整合する位置に溝を設けることも考えられ
る。しかし、溝の場合は、底部があるため、射出成形で
はチップ搭載部材を製造することができない。金型を使
用して溝を形成することも考えられるが、良好な断熱性
を得るためには溝がある程度深いことが必要である。し
かし、金型で小さく深い溝を形成することは極めて困難
である。従って、チップ搭載部材には、その表面側から
裏面側に貫通する貫通孔が設けられていることが必要で
ある。
It is also conceivable to provide a groove at a position aligned with the heater portion of the sensor chip, instead of the through hole. However, in the case of the groove, the chip mounting member cannot be manufactured by injection molding because the groove has the bottom. Although it is conceivable to use a mold to form the groove, the groove must be deep to some extent in order to obtain good heat insulation. However, it is extremely difficult to form a small deep groove with a mold. Therefore, the chip mounting member needs to be provided with a through hole penetrating from the front surface side to the back surface side.

【0014】本発明において、チップ搭載部材に導電材
料によりパターン形成された導通部を設けると共にこの
導通部より導出された電極を設け、センサチップの電極
とチップ搭載部材の電極とを導電材料(導電ペースト
等)により接合すると、センサチップにリード線を接合
する工程が不要になり生産性が向上する。このため、セ
ンサチップ搭載部材に導通部及び電極を設けると共に、
センサチップの電極とチップ搭載部材の電極とを導電材
料により接合し、この導電材料を介して両者を電気的に
接続することが好ましい。
In the present invention, the chip mounting member is provided with a conductive portion formed by patterning with a conductive material, and an electrode led from the conductive portion is provided, so that the electrode of the sensor chip and the electrode of the chip mounting member are made of a conductive material (conductive material). Bonding with a paste or the like eliminates the step of bonding the lead wire to the sensor chip and improves productivity. For this reason, a conductive portion and an electrode are provided on the sensor chip mounting member,
It is preferable that the electrode of the sensor chip and the electrode of the chip mounting member are joined with a conductive material, and the both are electrically connected via this conductive material.

【0015】また、本発明においては、ヒータ部をチッ
プ搭載部材と反対側の面に設けてセンサチップをチップ
搭載部材に接合してもよいが、この場合は、カソード電
極及びヒータ電極をアノード電極側に引き出すために、
アノード電極側に新たに絶縁層を形成する必要がある。
従って、センサチップは、ヒータ部が設けられた面をチ
ップ搭載部材側にして接合されていることが好ましい。
In the present invention, the heater portion may be provided on the surface opposite to the chip mounting member to bond the sensor chip to the chip mounting member. In this case, the cathode electrode and the heater electrode are connected to the anode electrode. To pull to the side
It is necessary to newly form an insulating layer on the anode electrode side.
Therefore, the sensor chip is preferably bonded with the surface on which the heater portion is provided facing the chip mounting member.

【0016】[0016]

【実施例】次に本発明の実施例について添付の図面を参
照にして説明する。
Embodiments of the present invention will now be described with reference to the accompanying drawings.

【0017】図1は本発明の第1の実施例に係る限界電
流式酸素センサを示す正面図、図2(a)、(b)は夫
々チップ搭載部材4を示す正面図及び上面図である。ま
た、図3はセンサチップ1を示す平面図である。
FIG. 1 is a front view showing a limiting current type oxygen sensor according to a first embodiment of the present invention, and FIGS. 2 (a) and 2 (b) are a front view and a top view showing a chip mounting member 4, respectively. . Further, FIG. 3 is a plan view showing the sensor chip 1.

【0018】本実施例に係る限界電流式酸素センサは、
限界電流式酸素センサチップ1とチップ搭載部材4とに
より構成されている。センサチップ1は、例えば図6に
示すように構成されており、キャップ上にはヒータ2の
接続用電極2a、カソード電極用接続電極3a及びアノ
ード電極用接続電極3bが設けられている。一方、チッ
プ搭載部材4は、ポーラスセラミックスにより形成され
た角筒状の絶縁性部材5により構成されており、その中
心軸に沿って上面側から裏面側に貫通する貫通孔6が設
けられている。また、このチップ搭載部材4の上面四隅
には接続用電極7aが設けられている。これらの接続用
電極7aは絶縁性部材5の2つの側面に夫々2本ずつ相
互に平行に設けられた側面導通部7に電気的に接続され
ている。そして、センサチップ1は導通接続部8により
チップ搭載部材4に接合されており、センサチップ1の
接続用電極2a,3a,3bは、これらの導通接続部8
を介してチップ搭載部材4の接続用電極7aに電気的に
接続されている。
The limiting current type oxygen sensor according to this embodiment is
It is composed of a limiting current type oxygen sensor chip 1 and a chip mounting member 4. The sensor chip 1 is configured, for example, as shown in FIG. 6, and the connection electrode 2a of the heater 2, the connection electrode 3a for the cathode electrode, and the connection electrode 3b for the anode electrode are provided on the cap. On the other hand, the chip mounting member 4 is composed of a rectangular cylindrical insulating member 5 made of porous ceramics, and a through hole 6 penetrating from the upper surface side to the back surface side is provided along the central axis thereof. . Further, connection electrodes 7a are provided at the four corners of the upper surface of the chip mounting member 4. These connecting electrodes 7a are electrically connected to the side surface conducting portions 7 provided on the two side surfaces of the insulating member 5, two parallel to each other. The sensor chip 1 is joined to the chip mounting member 4 by the conductive connecting portion 8, and the connecting electrodes 2a, 3a, 3b of the sensor chip 1 are connected to the conductive connecting portion 8 respectively.
It is electrically connected to the connecting electrode 7a of the chip mounting member 4 via.

【0019】なお、導通接続部8は、接続用電極7aに
Pt(白金)ペーストを塗布し、センサチップ1を接合
した後焼成することにより形成されている。導通接続部
8を形成するための導電ペーストとしては、Pt系ペー
スト以外にも、例えばPt−Pd、Rh−Pd及びPt
−Ag系のペースト等を使用することができるが、高温
(約900〜1000℃)で焼成する場合は電極材料が
酸化する虞があるため、特に電極の接合強度の面から、
酸化しにくいPt系ペーストが好ましい。また、低温焼
成する場合であり、且つ、接合強度がそれほど重要でな
い場合は、Pt−Ag系ペーストを使用することが好ま
しい。
The conductive connecting portion 8 is formed by applying Pt (platinum) paste to the connecting electrode 7a, bonding the sensor chip 1 and then firing. As the conductive paste for forming the conductive connection portion 8, besides Pt-based paste, for example, Pt-Pd, Rh-Pd, and Pt are used.
-Ag-based paste or the like can be used, but when firing at a high temperature (about 900 to 1000 ° C), the electrode material may be oxidized. Therefore, in terms of the bonding strength of the electrode,
Pt-based paste, which is difficult to oxidize, is preferable. Further, when firing at a low temperature and the bonding strength is not so important, it is preferable to use a Pt-Ag paste.

【0020】更に、絶縁性部材5を構成するセラミック
スの材質は特に限定されるものではないが、その熱膨張
係数がセンサチップの基板であるジルコニアの熱膨張係
数(90×10-7)に近いものが好ましい。例えば、絶
縁性部材5の材質としては、アルミナ(熱膨張係数:7
0×10-7)、ステアタイト(熱膨張係数:75×10
-7)及びホルステライト(95×10-7)等を使用する
ことができる。特に、アルミナは熱の繰り返しに強いた
め、絶縁性部材の材質として極めて好適である。ポーラ
スな状態のアルミナにより絶縁性部材を形成すると、セ
ラミックス粒子間に含まれる気体により絶縁性部材の保
温性がより一層向上すると共に、絶縁性部材の見かけ上
の熱膨張係数が増大してジルコニアの熱膨張係数に近づ
くため、熱膨張係数の差による絶縁性部材の破損を確実
に回避することができる。また、絶縁性部材5をポーラ
スセラミックスにより構成すると、通常使用されている
緻密なセラミックスにより構成した場合に比して導通接
続部8に対する接触面積が大きくなり、接合強度が向上
するという利点もある。
Further, the material of the ceramic constituting the insulating member 5 is not particularly limited, but its thermal expansion coefficient is close to that of zirconia (90 × 10 -7 ) which is the substrate of the sensor chip. Those are preferable. For example, the material of the insulating member 5 is alumina (coefficient of thermal expansion: 7
0 × 10 -7 ), steatite (coefficient of thermal expansion: 75 × 10
-7 ) and forsterite (95 × 10 -7 ) can be used. In particular, alumina is extremely suitable as a material for the insulating member because it is resistant to repeated heat. When the insulating member is made of porous alumina, the heat retention of the insulating member is further improved by the gas contained between the ceramic particles, and the apparent thermal expansion coefficient of the insulating member is increased to increase the zirconia content. Since the coefficient of thermal expansion is approached, damage to the insulating member due to the difference in coefficient of thermal expansion can be reliably avoided. Further, when the insulating member 5 is made of porous ceramics, there is an advantage that the contact area with the conductive connecting portion 8 is increased and the bonding strength is improved as compared with the case where it is made of dense ceramics which is usually used.

【0021】本実施例においては、上述の如く、チップ
搭載部材4にはセンサチップ1のヒータ2に整合する位
置に貫通孔6が設けられているため、この貫通孔6内の
気体が断熱材として作用して、ヒータ2で発生した熱が
チップ搭載部材4に吸収されにくく、熱効率が良好であ
る。また、ヒータ2の熱によりセンサチップ1が湾曲し
ても、センサチップ1とチップ搭載部材4とが当接する
虞がない。このため、Ptペーストを過剰に使用してセ
ンサチップとチップ搭載部材4との間に大きな隙間を形
成する必要がなく、センサチップ1とチップ搭載部材4
との接合強度が高い。更に、センサチップ1にリード線
を接合する必要がなく、製造が容易であるという利点も
ある。
In this embodiment, as described above, since the through hole 6 is provided in the chip mounting member 4 at a position aligned with the heater 2 of the sensor chip 1, the gas inside the through hole 6 is a heat insulating material. As a result, the heat generated by the heater 2 is hardly absorbed by the chip mounting member 4, and the thermal efficiency is good. Further, even if the sensor chip 1 is bent by the heat of the heater 2, there is no possibility that the sensor chip 1 and the chip mounting member 4 will come into contact with each other. Therefore, it is not necessary to excessively use the Pt paste to form a large gap between the sensor chip and the chip mounting member 4, and the sensor chip 1 and the chip mounting member 4 are not necessary.
High joint strength with. Further, there is also an advantage that it is not necessary to join a lead wire to the sensor chip 1 and the manufacturing is easy.

【0022】なお、貫通孔6の断面形状は必ずしも矩形
である必要はなく、射出成形等が容易な形状であれば例
えば円形又はその他の形状であってもよい。また、セン
サチップ1の接続用電極及びチップ搭載部の接続用電極
の形状は特に限定されるものではなく、円形、矩形又は
その他の形状であってもよい。更に、上述の実施例にお
いては導通部がチップ搭載部材5の外面に設けられてい
る場合について説明したが、導通部はチップ搭載部材の
内面に設けられていてもよい。例えば、ヒータ用導通部
をチップ搭載部材の内面に大きな面積で形成すると導通
部の抵抗値を低減できて、電力ロスを削減できる。
The cross-sectional shape of the through-hole 6 does not necessarily have to be rectangular, and may be circular or any other shape as long as it facilitates injection molding. Further, the shapes of the connecting electrodes of the sensor chip 1 and the connecting electrodes of the chip mounting portion are not particularly limited, and may be circular, rectangular or other shapes. Further, in the above-described embodiment, the case where the conducting portion is provided on the outer surface of the chip mounting member 5 has been described, but the conducting portion may be provided on the inner surface of the chip mounting member. For example, if the conductive portion for the heater is formed in a large area on the inner surface of the chip mounting member, the resistance value of the conductive portion can be reduced and power loss can be reduced.

【0023】図4は本発明の第2の実施例に係る限界電
流式酸素センサのセンサチップを示す平面図、図5は同
じくそのA−A線による断面図である。このセンサチッ
プは、安定化ジルコニアからなる固体電解質基板11
と、この固体電解質基板11の両面に夫々形成された多
孔質のカソード電極12及びアノード電極13と、この
カソード電極12及びアノード電極13から夫々基板角
部に向けて延出する電極引き出し部12b,13bと、
カソード電極12及び電極引き出し部12bの基端部を
気密的に封止するガラスドーム層14と、このガラスド
ーム層14上に形成されたヒータ15及びヒータ電極1
5a,15bとにより構成されている。また、カソード
電極12の電極引き出し部12bは、基板角部に設けら
れた接続用電極12aに電気的に接続されており、アノ
ード電極13の電極引き出し部13bはヒータ側の面の
角部に設けられた接続用電極13aに電気的に接続され
ている。
FIG. 4 is a plan view showing a sensor chip of a limiting current type oxygen sensor according to a second embodiment of the present invention, and FIG. 5 is a sectional view taken along line AA of the same. This sensor chip has a solid electrolyte substrate 11 made of stabilized zirconia.
A porous cathode electrode 12 and an anode electrode 13 respectively formed on both sides of the solid electrolyte substrate 11, and electrode lead portions 12b extending from the cathode electrode 12 and the anode electrode 13 toward the corners of the substrate, 13b,
A glass dome layer 14 that hermetically seals the base ends of the cathode electrode 12 and the electrode lead portion 12b, a heater 15 and a heater electrode 1 formed on the glass dome layer 14.
5a and 15b. Further, the electrode lead-out portion 12b of the cathode electrode 12 is electrically connected to the connecting electrode 12a provided at the corner portion of the substrate, and the electrode lead-out portion 13b of the anode electrode 13 is provided at the corner portion of the heater side surface. It is electrically connected to the connected connection electrode 13a.

【0024】このように構成されたセンサチップにおい
て、ヒータ電極15a,15bの間に電圧を印加する
と、ヒータ15が抵抗発熱してセンサが高温に加熱され
る。この状態でカソード電極12とアノード電極13と
の間に所定の電圧を印加すると、カソード電極12内の
気体中に含有されている酸素分子はカソード電極12を
介し電子を得て、酸素イオンとなり、固体電解質基板1
1をその厚さ方向に移動する。そして、この酸素イオン
がアノード電極13に到達すると、電子を放出し再び酸
素原子となって雰囲気中に放出される。この酸素の移動
によりカソード電極12内が負圧となり、新たな気体が
電極引き出し部12bを介してカソード電極12内に流
入する。このとき、気体の流入量は電極引き出し部12
bの基端部により制限され、限界電流特性を得ることが
できる。
In the sensor chip constructed as described above, when a voltage is applied between the heater electrodes 15a and 15b, the heater 15 heats resistance to heat the sensor to a high temperature. When a predetermined voltage is applied between the cathode electrode 12 and the anode electrode 13 in this state, the oxygen molecules contained in the gas inside the cathode electrode 12 obtain electrons through the cathode electrode 12 and become oxygen ions, Solid electrolyte substrate 1
1 is moved in the thickness direction. Then, when the oxygen ions reach the anode electrode 13, they emit electrons and become oxygen atoms again, and are released into the atmosphere. Due to the movement of oxygen, the inside of the cathode electrode 12 has a negative pressure, and new gas flows into the cathode electrode 12 through the electrode lead-out portion 12b. At this time, the gas inflow amount is determined by the electrode lead-out portion 12
It is limited by the base end portion of b, and the limiting current characteristic can be obtained.

【0025】本実施例においては、このように構成され
た限界電流式酸素センサチップを図2(a),(b)に
示すチップ搭載部材4にヒータ側の面をチップ搭載部材
側にして接合する。本実施例においても、第1の実施例
と同様の効果を得ることができる。また、本実施例にお
いては、ガラスドーム層14を例えばスクリーン印刷に
より形成することができるので、キャップ及び拡散孔を
形成するための機械化工程が不要であり、限界電流式酸
素センサの製造が容易であるという利点もある。
In the present embodiment, the limiting current type oxygen sensor chip thus constructed is joined to the chip mounting member 4 shown in FIGS. 2 (a) and 2 (b) with the heater side surface facing the chip mounting member side. To do. Also in this embodiment, the same effect as that of the first embodiment can be obtained. In addition, in this embodiment, since the glass dome layer 14 can be formed by screen printing, for example, a mechanization step for forming the cap and the diffusion hole is unnecessary, and the limiting current type oxygen sensor can be easily manufactured. There is also an advantage.

【0026】上述の実施例においては、センサチップの
ヒータ側の面をチップ搭載部材側としたが、アノード電
極側をチップ搭載部材側としてもよい。この場合もチッ
プ搭載部材の孔内の気体が断熱材として作用し、チップ
搭載部材の加熱を抑制でき、チップ接合面が平坦の場合
に比して熱効率が向上する。
In the above embodiments, the heater-side surface of the sensor chip is the chip mounting member side, but the anode electrode side may be the chip mounting member side. In this case also, the gas in the holes of the chip mounting member acts as a heat insulating material, so that the heating of the chip mounting member can be suppressed, and the thermal efficiency is improved as compared with the case where the chip bonding surface is flat.

【0027】次に、本発明に係る限界電流式酸素センサ
を実際に製造し、消費電力及び導通接続部の接合強度を
調べた結果について、比較例と比較して説明する。実施
例として、図1に示す形状の限界電流式酸素センサを製
造した。但し、チップ搭載部材4のサイズは、縦が3m
m、横が3mm、高さが15mm、肉厚が100〜20
0μmである。また、比較例として、孔が設けられてい
ない以外は上述の実施例と同様の酸素センサを製造し
た。なお、この比較例においては、導通接続部となるP
tペーストの量を多くすることによりセンサチップとチ
ップ搭載部材との隙間を大きくし、センサチップとチッ
プ搭載部材とが当接しないようにした。
Next, the results of actually manufacturing the limiting current type oxygen sensor according to the present invention and examining the power consumption and the joint strength of the conductive connecting portion will be described in comparison with a comparative example. As an example, a limiting current type oxygen sensor having the shape shown in FIG. 1 was manufactured. However, the size of the chip mounting member 4 is 3 m in the vertical direction.
m, width 3 mm, height 15 mm, wall thickness 100-20
It is 0 μm. In addition, as a comparative example, an oxygen sensor similar to the above-described example was manufactured except that no hole was provided. In addition, in this comparative example, P serving as a conductive connection portion is used.
By increasing the amount of t paste, the gap between the sensor chip and the chip mounting member was increased so that the sensor chip and the chip mounting member would not come into contact with each other.

【0028】これらの実施例及び比較例の酸素センサの
ヒータに通電し加熱して、そのときの消費電力を調べ
た。その結果、比較例の酸素センサの消費電力は実施例
の酸素センサの2倍であった。また、実施例及び比較例
の各酸素センサの導通接続部の接合強度を調べた。その
結果、比較例の酸素センサの接合強度は実施例の約0.
7倍であった。更に、実施例及び比較例の酸素センサの
製造コストを比較したところ、チップ搭載部材が空洞で
ある分だけ実施例の方が材料コストが安く、その他のコ
ストは略同一であった。
The heaters of the oxygen sensors of these Examples and Comparative Examples were energized and heated, and the power consumption at that time was examined. As a result, the power consumption of the oxygen sensor of the comparative example was twice that of the oxygen sensor of the example. In addition, the bonding strength of the conductive connection portion of each oxygen sensor of the example and the comparative example was examined. As a result, the bonding strength of the oxygen sensor of the comparative example is about 0.
It was 7 times. Furthermore, when the manufacturing costs of the oxygen sensors of the example and the comparative example were compared, the material cost was lower in the example because the chip mounting member was hollow, and the other costs were substantially the same.

【0029】[0029]

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、限
界電流式酸素センサチップはチップ搭載部材に接合され
ており、前記チップ搭載部材には前記センサチップのヒ
ータ部に整合する位置からその裏面側に貫通する貫通孔
が設けられているから、機械的強度が高いと共に熱効率
が高いという効果を奏する。
As described above, according to the present invention, the limiting current type oxygen sensor chip is joined to the chip mounting member, and the chip mounting member is arranged from the position aligned with the heater portion of the sensor chip. Since the through hole is provided on the back side, the mechanical strength is high and the thermal efficiency is high.

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

【図1】本発明の第1の実施例に係る限界電流式酸素セ
ンサを示す正面図である。
FIG. 1 is a front view showing a limiting current type oxygen sensor according to a first embodiment of the present invention.

【図2】(a)、(b)は夫々チップ搭載部材を示す正
面図及び上面図である。
2A and 2B are respectively a front view and a top view showing a chip mounting member.

【図3】センサチップを示す平面図である。FIG. 3 is a plan view showing a sensor chip.

【図4】本発明の第2の実施例に係る限界電流式センサ
のセンサチップを示す平面図である。
FIG. 4 is a plan view showing a sensor chip of a limiting current type sensor according to a second embodiment of the present invention.

【図5】図4のA−A線による断面図である。5 is a cross-sectional view taken along the line AA of FIG.

【図6】限界電流式酸素センサのセンサチップの一例を
示す断面図である。
FIG. 6 is a cross-sectional view showing an example of a sensor chip of a limiting current type oxygen sensor.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1;センサチップ 2,15,46;ヒータ 2a,3a,3b;接続用電極 4;チップ搭載部材 5;絶縁性部材 6;貫通孔 7;側面導通部 7a;接続用電極 8;導通接続部 11,41;固体電解質基板 12,42;カソード電極 13,43;アノード電極 14;ガラスドーム層 44;キャップ 44b;気体拡散孔 47;電圧計 48;電流計 49;電源 1; Sensor chip 2,15,46; Heater 2a, 3a, 3b; Connection electrode 4; Chip mounting member 5; Insulating member 6; Through hole 7; Side conduction part 7a; Connection electrode 8; Conduction connection part 11 , 41; solid electrolyte substrate 12, 42; cathode electrode 13, 43; anode electrode 14; glass dome layer 44; cap 44b; gas diffusion hole 47; voltmeter 48; ammeter 49; power supply

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 石橋 功成 東京都江東区木場1丁目5番1号 株式会 社フジクラ内 (72)発明者 加藤 嘉則 東京都江東区木場1丁目5番1号 株式会 社フジクラ内 ─────────────────────────────────────────────────── ─── Continuation of front page (72) Inventor Issei Ishibashi 1-5-1 Kiba, Koto-ku, Tokyo Fujikura Ltd. (72) Inventor Yoshinori Kato 1-1-5 Kiba, Koto-ku, Tokyo Shares Inside Fujikura

Claims (2)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 限界電流特性を利用して酸素濃度を検出
する検出部及びこの検出部を加熱するヒータ部が設けら
れたセンサチップと、このセンサチップが搭載され前記
ヒータ部に整合する位置からその裏面側に貫通する貫通
孔が設けられたチップ搭載部材とを有することを特徴と
する限界電流式酸素センサ。
1. A sensor chip provided with a detection part for detecting oxygen concentration by utilizing a limiting current characteristic and a heater part for heating the detection part, and from a position where the sensor chip is mounted and aligned with the heater part. A limiting current type oxygen sensor, comprising: a chip mounting member having a through hole penetrating the back surface thereof.
【請求項2】 前記センサチップの電極と、前記チップ
搭載部材の電極とは導電材料により接合されており、前
記チップ搭載部材の電極は前記チップ搭載部材に導電材
料によりパターン形成された導通部により導出されてい
ることを特徴とする請求項1に記載の限界電流式酸素セ
ンサ。
2. The electrode of the sensor chip and the electrode of the chip mounting member are bonded by a conductive material, and the electrode of the chip mounting member is formed by a conductive portion patterned on the chip mounting member with a conductive material. The limiting current type oxygen sensor according to claim 1, which is derived.
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